Weiterführende Literatur Elementarteilchenphysikniebuhr/Vorlesung/Hannover/Vorlesung1.pdf · Quarks & Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics, John Wiley, 1984

C. Niebuhr 1 Vorlesung 1/2

Einführung in die experimentelle

Elementarteilchenphysik

Voraussetzungen

•

Klassische Mechanik

Hamilton/Lagrange Formalismen

•

Elektrodynamik

Maxwell Gleichungen

•

Quantenmechanik

Schrödingergleichung

•

Spezielle Relativitätstheorie

Lorentz-TransformationMetrik

Wintersemester 2001/02

Carsten Niebuhr

DESY-Hamburg

Notkestrasse 85

Tel: 01709234443

email: [email protected]


Themen

•

Historische Einführung

EinheitenQuarkmodell

•

Grundlagen

Relativistische KinematikRelativistische WellengleichungenKräfte/Wechselwirkungen/TeilchenFeynman-DiagrammeWechselwirkung von Teilchen und Materie

•

Detektoren

KalorimeterSpurdetektorenFestkörperdetektoren

•

Beschleuniger

ZyklotronSynchrotronCollider

•

Das Standardmodell der Teilchenphysik

Symmetrien/EichtheorienFermionen/BosonenElektroschwache WechselwirkungStarke Wechselwirkung / QCDHiggs Mechnismus

•

Aktuelle Themen

NeutrinooszillationenCP VerletzungHiggs Suche


Weiterführende Literatur

D.Griffiths:

Einführung in die Elementarteilchenphysik,

Akademie Verlag, Berlin 1996

Leicht verständlich und interessant geschrieben

B.R. Martin, G. Shaw:

Particle Physics

, John Wiley 1992

Guter phänomenologischer Überblick, leicht lesbar

V.D.Barger, R.J.N.Phillips:

Collider Physics

,Addison&Wesley, 1987

Theoretisch aber auch nahe am Experiment, setzt einige Kenntnisse voraus

Donald H. Perkins

:

Einführung in die Hochenergiephysik

, Addison&Wesley, 1987

Ein Klassiker, viel Material, Rechnungen zum Teil schwer nachvollziehbar , teilweise veraltet

E. Lohrmann:

Hochenergiephysik

, Teubner Studienbücher Physik, 1992.

Knapp und elementar

F. Halzen, A. D. Martin:

Quarks & Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics

, John Wiley, 1984

Der Klassiker unter den Textbüchern für Teilchenphysiker, sehr empfehlenswert, aber recht theoretisch, daher eher für Fortgeschrittene

Nachschlagewerk

Particle Data Group:

Review of Particle Physics

, Eur. Phys. J. C15, 1-878 (2000)

Vollständiges Nachschlagewerk aller bekannten Daten und gute Zusammenfassungen der theoretischen Grundlagen. Wird alle 2 Jahre publiziert. Auch unter http://pdg.lbl.gov mit regelmässigen Aktualisierungen

Detektoren

K.Kleinknecht:

Detektoren für Teilchenstrahlung

,Teubner, 1992

W.R. Leo:

Techniques for Nuclear and Particle Physics

Experiments

, Springer 1994


Einige nützliche Links

•

DESY-Hamburg

http://www.desy.de/http://www.desy.de/summerstudents/

•

CERN Genf

http://welcome.cern.ch/

•

Fermilab Chicago

http://www.fnal.gov/

•

SLAC Stanford

http://www.slac.stanford.edu/highlighted.html

•

Populärwissenschaftliche Behandlungen des Themas

http://hands-on-cern.physto.se/hoc_v1en/main.htmlhttp://wwwpdg.cern.ch/pdg/cpep/adventure_home.htmlhttp://quarknet.fnal.gov/index_st.shtmlhttp://www.physik.uni-erlangen.de/Didaktik/Grundl_d_TPh/titelseite.htmlhttp://kworkquark.desy.de/


Woraus ist die Welt gemacht ???

Die Suche nach den elementaren Bestandteilen aller Materie ist alt:

ca. 600 v. Chr. :Thales von Milet und sein Schüler Anaximander: vier Grundelemente

ca. 400 v.Chr. Demokrit: Atome (ατοµοσ) sind ewig, ungeworden und unzerstörbar. Sie sind von Ewigkeit her in Bewegung, nur nach Gestalt und Grösse, Anordnung und Lage verschieden.

ca. 1900 Dalton/Mendelejew: Periodische System der chemischen Elemente

Luft

Wasser Feuer

Erde

einfach, ökonomisch

#### leider falsch !

zutreffende Beschreibung

#### zu kompliziert für endgültige Theorie


Anspruch der Teilchenphysik

•

Elementarteilchenphysik = Hochenergiephysik untersucht die fundamentalen Bestandteile der Materie und ihre Wechselwirkungen

•

Ziel: "Erklärung" aller experimentellen Beobachtungen aus einem Satz von wenigen Axiomen und mit einer minimalen Anzahl von Parametern (Ästhetik z.B. Symmetrie!)

•

Vorgehensweise:

Experimentell Streuvorgänge: Teilchen aufeinanderschiessen

$

Messung des Ablenkwinkels Spontane Zerfälle: Beobachtung der "Bruchstücke" Gebundene Systeme: Untersuchung der Systemeigenschaften gibt Information über Bestandteile

und die Wechselwirkung zwischen ihnen Theoretisch

Modellbildung üblicherweise in Form einer mathematischen Beschreibung der experimentellen Befunde

Idealerweise ist dies ein Satz von nur wenigen Formeln, aus denen alles abgeleitet werden kann Gültigkeit und Glaubwürdigkeit steht und fällt natürlich mit der Vorhersage weiterer bisher

unbeobachteter Phänomene

•

Gegenwärtiger Stand:

Standardmodell der Elementarteilchenphysik

es ist in der Lage alle gesicherten experimentellen Beobachtungen im Rahmen von Quantenfeld- theorien zu beschreiben

dennoch ist es sicherlich noch nicht die endgültige Theorie, sondern nur ein Schritt dorthin (aus vielen Gründen, u.a. ≈25 willkürliche Parameter, die experimentell bestimmt werden müssen)


Beginn der Teilchenphysik: Entdeckung des Elektrons

1897 Joseph J. Thomson

• geladene Teichen in und Feldern:

• gerade Spur in orthog. und Feldern:

• Ablenkung im Feld:

• Proton war bekannt! $ !!

E B

E B

B

q m⁄ me

mp2000------------≈

F q E v B×+( )⋅=

F q E⋅ q v B v EB----=⇒⋅ ⋅= =

m v2 r⁄⋅ q v B q m⁄⇒⋅ ⋅ v B r⋅( )⁄= =

a

bc d

Thomsons Experiment stellt gewisser-massen den Prototyp eines Teilchen-physikexperiments dar:• a) Erzeugung geladener Teilchen• b) Beschleunigung gel. Teilchen im

longitudinalen E-Feld (notwendige Voraussetzung: Vakuum)

• c) Bestimmung von v, q/m in E und B Feld

• d) Nachweis und Positionsbestimmung mit Fluoreszensschirm


RutherfordThomsons Vermutung über die Struktur der Materie:

Rutherfords Streuung von Alpha-Teilchen an einer dünnen Goldfolie widerlegt diese Vorstellung, da die Winkel-verteilung der gestreuten Alpha-Teilchen einen Ausläufer zu großen Winkeln (Rückwärts-streuung) aufweist:

(Z=Kernladung, E=Energie)

Rutherfords Folgerung 1911:Alpha-Teilchen stossen auf etwas sehr Kleines, sehr Hartes und sehr Schweres

$ positive Ladung und fast die gesamte Masse sind auf einem winzigen Teil im Inneren des Atomvolumens konzentriert.

Bohr 1913: Analogie zum Planetensystem

dσdΩ------- Ze2( )2

4E2 θ 2⁄sin4-------------------------------=

Homogener positiv geladener BreiElektronen wie "Pflaumen im Pudding"


Photon

1900: M.Planck: Schwarzkörperstrahlung $ Emission und Absorption sind quantisiert

1905: A.Einstein erklärt den photoelektrischen Effekt: Maximalenergie der ausgelösten Elektronen ist unabhängig von der Intensität der Bestrahlung

E < hν-W=Emax (W=Austrittsarbeit) $ das elektromagnetische Feld ist quantisiert

Energie des Lichtquants: E = hν

Impuls des Lichtquants: p = E/c = hν/c = h/λ

1922: A.Compton weist den Korpuskelcharakter des Photons nach. Aus Energie- und Impuls- erhaltung folgt:

∆λ = 2 λe sin2(ϕ/2)

λe = h/mec = 2.4262 x 10-12 m Comptonwellenlänge des Elektrons

e

UV-Licht

P.Lenard

Bragg-Kristal

Detektor

Röntgen-Quelle

Probe

ϕ

e

λλ'


Entdeckung der Anti-Teilchen: das Positron

6mm Blei-

B-Feld 1.5 TeslaSpurkrümmung:

p≈23 MeV/c $ kein Proton !

Energieverlust

Eine der ersten identifizierten Positron- Spuren in einer Wilson NebelkammerC.D.Anderson Physical Review 43 (1933) 491

platte $

positive Ladung

Lösung für Diracs Problem der Zustände mit negativer Energie. Die Gleichung für ein relativistisches Elektron lautet:

$ d.h. es gibt Zustände negativer Energie!

Problem: Was hindert Elektronen daran durch Abstrahlung von Energie in den Zustand überzugehen?

Lösung: Im Vakuum sind bereits alle Zustände negativer Energie mit Elektronen bevölkert. Wird einem dieser Elektronen genügend Energie zugeführt, so gelangt es in einen Zustand positiver Energie. Die zurückbleibende Fehlstelle ist ein Antiteilchen (Positron) mit positiver Energie.

E2 p2c2 me2c4+= E p2c2 me

2c4+±=

E ∞–=

+mec2

- mec2

0

E

e +

e -


Gebräuchliche Einheiten in der TeilchenphysikDie Verwendung von üblichen Einheiten ist in der Teilchenphysik unpraktisch, da

Dimension z.B. für Ladung kompliziert: [l] = M1/2 L2/3 T-1

Skalen sind ebenfalls nicht angepasst. Typische Grössenordnungen:

Länge: 1 fm = 10-13 cm

Energie: 1 eV = 1.602 x 10-19 J

Masse: me = 9.109 x 10-28 g

Für Teilchen mit fester Masse m0 sind die Ein-heiten L,M,T eindeutig miteinander verknüpft

E = m0 c2

λ0 = /m0c Comptonwellenlänge

t0 = λ0/c = /m0c2

h

h

Diese Grössen sind verknüpft durch:

= 6.582x10-22 MeV s

c = 2.998 x 108 m/s

Zur Vereinfachung wird häufig =c=1 gesetzt $

Konsequenz: Energie, Impuls, Masse in GeV Abstände in GeV-1

Rezept:Mit =c=1 rechnen und Ergebnis so lange mit und c multiplizieren, bis die richtige Dimension herauskommt!

Feinstrukturkonstante:

hh

2π------=

hh c 197.3 MeV fm=⋅ 1=

hh

α e2

hc----- 1

137---------= =


Phänomene in der Elementarteilchenphysik spielen sich ab in den Bereichen

kleiner Distanzen sowie hoher Energien

Eine adäquate Beschreibung erfordet also die Kombination von

Quantenmechanik Spezielle Relativitätstheorie

Quantenfeldtheorie

Quantenelektrodynamik (QED, sehr erfolgreicher Prototyp)

Quantenchromodynamik (QCD)


Wechselwirkung in Quantenfeldtheorien

Bei der schwachen Wechselwirkung sind die Austauschbosonen W+/, Z massiv: MW= 80.3 GeV/c2

MZ= 91.2 GeV/c2

$ Reichweite R ≈ 2 x 10-3 fm

Das Potential eines solchen Feldes wird durch das Yukawa - Potential dargestellt:V r( ) e r– R⁄ r⁄∝

A

A

Zeit

B

B

X (z.B. γ)

Kräfte werden übertragen durch Emission und Absorption von Teilchen.

Austauschteilchen der QED ist das Photon, das Feldquant des elektromagnetischen Feldes.

Damit Impulserhaltung und Energieerhaltung am Vertex gültig sein können, kann das Photon nicht die Masse 0 haben, es ist virtuell. Oft benutzter Ausdruck: es ist "off-shell "oder es "befindet sich nicht auf der Massenschale "

Im allgemeinen Fall, wenn das Austauschteilchen X massiv ist, gilt für die Energiedifferenz zwischen Anfangs- und End-zustand:

. Solch eine Verletz-ung der Energieerhaltung kann nach der Heisen-bergschen Unschärferelation nur für eine kurze Zeitdauer andauern. Damit ergibt sich sofort eine maximale Reichweite von

E2 p2c2– m2c4≠

∆E EX EA MAc2 MXc2≥–+=

τ h ∆E⁄≈R h MXc⁄≈


Prozesse höherer Ordnung in der QEDO(αem

2 )Moller Streuung Bhaba Streuung Paarvernichtung

O(αem4 )

Für die exakte Berechnung müssen alle möglichen Diagramme mit den entsprechenden äußeren Linien berechnet werden α=1/137 => Störungsrechnung

Theorie ist sehr genau getestet: (ge-2)/2

QED: (1 159 652.4 ± 0.4) 10-9

Exp : (1 159 652.193 ± 0.01) 10-9 Vakuumpolarisation


Wie konstant sind Kopplungskonstanten wirklich ?

-+

q

Konsequenz der Vakuumpolarisation: punktförmige Ladung q wird durch die Polarisation der Umgebung teilweise abgeschirmt (Analogie Moleküle in einem dielektrischen Medium) :

qeff = q / εr

αem(r→∞) ≅ 1/137

αem(r=2.5x10-18 m) ≅ 1/128 (getestet at LEP!)

q

q/εr

ro r


Nachweis von Muon und Pion in der Höhenstrahlung

νν

ν

Photografische Emulsion in kosmischer Höhenstrahlung Powell et al, Nature 159 (1947) 694

π

µ

eAus der Beobachtung vieler solcher Ereignisse ergibt sich, dass die Energie des Elektrons nicht konstant ist $ es kann sich nicht um einen reinen Zwei-Körperzerfall handeln µ e 2ν+→

0.6

mm

Das neue Teilchen zerfällt in Ruhe. Das Zerfallsmuon ist stets monoenergetisch $ es handelt sich um einen Zweikörper-zerfall: π µ ν+→


NeutrinosProblem beim nuklearen Beta-Zerfall:

(Z,A) > (Z+1,A) + e- (z.B. )

Falls es sich um einen Zwei-Körperzerfall handelt sollte die Elektronenergie konstant sein. Tatsächlich gemessen:

Lösung: Pauli postuliert 1930 ein neues, drittes Teilchen - das Neutrino.Eigenschaften: neutral, wechselwirkt nur schwach, nicht elektromagnetisch, Spin 1/2

K4019 Ca

4020→

Ekin (e-)

Erei

gnis

se Zwei-Körper

Direkter Nachweis durch Cowans und Reines 1958 in einem Wassertank an einem Reaktor über die Messung der "inversen" Reaktion:

5x1013 Teilchen/cm2 s trotzdem nur ca. 2-3 Ereignisse pro Stunde (Reichweite in Eisen: 100 Lichtjahre !)

Frage: gilt ? Falls ja, dann sollte die

Umkehrreaktion mit etwa derselben Rate auftreten. Davis konnte zeigen, dass diese Reaktion nicht vorkommt.

Was unterscheidet νe von νe ? Antwort: Leptonzahl L, die erhalten sein muss. L = 0 für alle Nicht-Leptonen L = -1 (+1) für νe, e+ (νe, e- )

Später: $ Leptonflavourzahlen Le, Lµ sind separat erhalten

νe p+ e+ n+→

νe νe≡

νe n+ e- p+→

νe νµ≠


Eigenschaften der Leptonen

Bei allen Teilchen-reaktionen gelten strikte Erhaltungs-sätze :

Li

i∑ const.=

Lie

i∑ const=

Liµ

i∑ const=

Liτ

i∑ const=

Gene-ration Teilchen Masse

(MeV)Lebensdauer (s)

Lτ Lµ Le L Ladung

1e– 0.511 stabil 0 0 1 1 –1

νe < 10-6 – 0 0 1 1 0

2µ– 105.66 2.197x10-6 0 1 0 1 –1

νµ < 0.17 – 0 1 0 1 0

3τ– 1777.0 2.90x10-13 1 0 0 1 –1

ντ < 18.2 – 1 0 0 1 0

Antiteilchen

1e+ 0.511 stabil 0 0 –1 –1 1

νe < 10-6 – 0 0 –1 –1 0

2µ+ 105.66 2.197x10-6 0 –1 0 –1 1

νµ < 0.17 – 0 –1 0 –1 0

3τ+ 1777.0 2.90x10-13 –1 0 0 –1 1

ντ < 18.2 – –1 0 0 –1 0


Die schwache Wechselwirkung - W und Z Bosonen

• Dem Kern-β-Zerfall liegt die Reaktion n → p e νe zugrunde

• ganz analog dazu erfolgt der Zerfall des Muons: µ− → e νe νµ oder via CrossingNeutrino-Elektron-Streuung νµe → νµe

• die schwache Wechselwirkung wird ebenfalls durch eine Quantenfeldtheorie beschrieben, d.h. Wirkung erfolgt durch den Austausch von Teilchen

• in der vereinheitlichten elektroschwachen Theorie von Glashow, Weinberg und Salam (1967) wurden die intermediären Bosonen W+,W, Z0 vorhergesagt

• in dem speziell für ihren Nachweis gebauten CERN p-p Speicherring wurden diese Teilchen 1983 experimentell nachgewiesen: mW = 80.419 ± 0.056 GeV mZ = 91.1882 ± 0.0022 GeV

µ

νe e−νµ

W−

e e+

µ+ µ−

Z0

eW−

νe µ

νµ

Geladener Strom:

Neutraler Strom:


Anzahl von leichten Neutrinos

LEP: e+e → Hadronen

σ e+e– X→( ) Γ Z0 e+e–→( )Γ Z0 X→( )ECM

2 MZ2–( )2 MZ

2 ΓZ2+

----------------------------------------------------------------∝

e e+ e e+ e e+

q q l+ l– ν ν

Zo Zo Zo

Γ tot Γ Z0 Hadr→( ) 3Γ Z0 l+l–→( ) NνΓ Z0 vv→( )+ +=

=> es gibt nur 3 Neutrinoarten leichter als das Z0 , und damit auch nur 3 Generationen

Mögliche Zerfallskanäle:


Wechselwirkungen und Austauschteilchen

Wechsel-wirkung

Austausch-teilchen Name

Masse(GeV/c2)

Spin

elektro-magnetisch

γ Photon 0 1

schwach W+, W–, Z0 intermediäre Vektorbosonen

80, 80, 91 1

stark g (fundamental)

π (residual a la vanderWaals)

Gluon (8 versch.)

Pion

0

≈ 0.14

1

gravitativ G (noch nicht nachgewiesen)

Graviton 0 2


Stärke und Reichweiten der vier Wechselwirkungen

Wesentliche Erkenntnis: Alle WWen können mit Eichtheorien beschrieben werden. Austauschteilchen sind die Eichbosonen.

Die Reichweite der WW hängt von der Masse der Eichbosonen ab:• Für EM und Schwerkraft:

mPhoton=mGraviton=0 $ 1/r2 Verhalten & unendliche Reichweite

• Schwache WW: mW/Z≈100 GeV $ scharfer Abfall @ 2x10-16cm

• Starke WW: sehr unterschiedlichesVerhalten für d > 10-15 cm Quarks konst. Kraft : Gluon (masselos !) Hadronen steiler Abfall : Pion

$ Effekt der "Farbe" der Quarks (später)AtomKernProtonLeptonen, Quarks ?


Der Elementarteilchenzoo

ντ

und viele mehr ... g

ν −Osz.

Ν(ν)=3


Teilchenzerfälle• Der Zerfall von Elementarteilchen oder Zuständen ist

ein statistischer Prozess.

→ keine Vorhersage für einzelnes Teilchen, sondern nur Mittelwert für Ensemble von N Teilchen

• Teilchen haben kein Gedächtnis

→ Zerfallswahrscheinlichkeit unabhängig von t

• Für N Teilchen gilt:

• Γ heißt Zerfallsrate oder Zerfallsbreite (s-1)

• Mittlere Lebensdauer: τ = 1 / Γ

• Wenn es mehrere Zerfallskanäle gibt gilt:

• Das Verhältnis Γi / Γtot bezeichnet man als Verzweigungsverhältnis für den entsprechenden Kanal

dN NΓdt N t( ) N0 Γ t–( )exp=⇒–=

Γ tot Γ ii∑=

Breit-Wigner Resonanzkurve:

in Analogie zur erzwungenen Schwingung: Wr Resonanzmasse Γ Halbwertsbreite

N W( ) Γ 2π⁄W Wr–( )2 Γ2 4⁄+

----------------------------------------------=


Zusammenhang Zerfallsbreite und Lebensdauer

Beispiel für starke Wechselwirkung: Reaktion π− p $ π+ π− n

ist die invariante Masse des Pionsystems

Heisenberg: Energie/Zeit Unschärfe

∆W ≈ 1/τ = Γ

W p+2 p–

2+=Γ ≈ 0.2 GeV

Meson und Nukleonresonanzen

WW Zerfallsbreite Γ Lebensdauer τ Beispiel τ

stark O( 10-103 MeV) O( 10-22-10-24 s) ρ0→π+π− 10-24 s

e.m. O( 10-2-103 keV) O( 10-16-10-21 s) π0→γγ 10-17 s

schwach O( 10-2-104 µeV) O( 10-7-10-13 s) Κ0→π+π− 10-10 s


Seltsame Teilchen

Um 1947 scheinbar konsistentes Bild der Teilchenphysik.

Rochester und Butler beobachten in der kosmischen Höhenstrahlung seltsame Teilchen, die nicht so recht in das Schema passen.

1952 wurde der erste moderne Teilchenbeschleuniger (Brookhaven Cosmotron) in Betrieb genommen $ die neuartigen Teilchen können sehr viel besser studiert werden.

Sie werden reichlich erzeugt (innerhalb ca. 10-23 s), sind dann aber relativ "stabil" (typisch ca. 10-10 s)

Vermutung: Erzeugungsmechnismus verschieden von Zerfallsmechanismus

Die seltsamen Teilchen werden immer paarweise erzeugt

Erklärungsversuch:neue Teilcheneigenschaft "Strangeness" oder "Seltsamkeit" ist (wie Ladungs-, Lepton-, Baryonenzahl) in der starken Wechselwirkung erhalten, nicht aber in der schwachen Wechsewirkung

Produktion: es werden beobachtet:

π- + p+ > K+ + Σ- (0 + 0 > 1 - 1)

π- + p+ > K0 + Σ0

π- + p+ > K0 + Λ

nicht beobachtet werden dagegen:

π- + p+ > π+ + Σ- (0 + 0 > 0 - 1)

Zerfall: Strangeness ist nicht erhalten:

Λ > p+ + π- (-1 > 0 + 0)

Σ+ > p+ + π0


Gell-Mann: der Achtfache WegKo K+

KoK-

π0

π+π−

η

S=1

S=0

S= –1

Q= –1 Q= 0

Q=1

n

Ξ0Ξ-

Σ0

Σ+Σ−

Λ

S=0

S=–1

S= –2

Q= –1

Q= 0

Q=1

p

Baryon Oktett Meson Nonett

Q=2

Q=1

Q=0

Q=–1

S=–3

S=–2

S=–1

S=0 ∆− ∆0 ∆+ ∆++

Σ∗− Σ∗+Σ∗0

Ξ∗− Ξ∗0

ΩΩ −−

Baryon Dekuplett


Κ−

Ω− π−

γ

Κ0 Ξ0

Λ0

γ

Κ+

π−

e+e+

e−

e−

p

Entdeckung des Ω−

BNL 1964 : K- p > Ω− K0 K+

Bilanz : -1+0 -> ? + 1+ 1 ⇒ SΩ = -3


Das QuarkmodellDie aus drittelzahlig geladenen Quarks bestehende Substruktur liefert den tieferen Grund für die beobachtete Ordnung: (Anti-)Baryonen bestehen aus drei (Anti-)Quarks : qqq

Mesonen setzen sich aus einem Quark und einem Antiquark zusammen: qq

d u

s Q=2/3

Q=-1/3

S=0

S=-1

Quarks

s

du

S=-1

S=0

Q=-2/3 Q=1/3

Antiquarks


Hadronen-Multipletts

qqq Q S Baryon

uuu 2 0 ∆++

uud 1 0 ∆+

udd 0 0 ∆0

ddd -1 0 ∆−

uus 1 -1 Σ*+

uds 0 -1 Σ*0

dds -1 -1 Σ*−

uss 0 -2 Ξ*0

dss -1 -2 Ξ*−

sss -1 -3 Ω−

q q Q S M e s o n

uu 0 0 π0

ud 1 0 π+

du -1 0 π−

dd 0 0 η

us 1 1 K+

ds 0 1 K0

su -1 -1 K−

sd 0 -1 K0

ss 0 0 ??

Baryon Dekuplett Meson Nonett• Probleme des Quarkmodells:

1) Trotz intensivster Suche wurden nie freie Quarks beobachtet.2) Das Pauliprinzip scheint verletzt zu sein

• Ausweg:Quark-Einschluss (quark confine-ment)

Einführung des Konzepts der Farbe R G B (QCD später). Konsequenz:alle natürlich auftretenden Teilchen sind farblos (Baryonen R+G+B , Mesonen zB R+Anti-Rot )

• Spätere Experimente analog zu RutherfordSLAC, CERN, DESY: Tief-unelastische Streuung bestätigt Partonstruktur des Protons


QED vs QCD

el. Ladung

q, e

Es gibt nur eine Ladungs-sorte

→ Photonen sind neutral und wechselwirken nicht miteinander

Stärke der WW nimmt mit zunehmendem Abstand ab

γ

Quantenelektrodynamik:

Kopplungskonstante ist klein: αem=1/137→ Störungsrechnungen können mit sehr hoher Präzision durchgeführt werden

q

Farbladung Es gibt 3 Ladungen R, B, G (R, B, G)

→ Gluonen sind zwei-farbig und können daher miteinander wechselwirken

Selbstwechselwirkung führt dazu, dass die Stärke der WW mit demAbstand zunimmt

(es gibt sogar 4-g Vertizes)

g

Quantenchromodynamik:

q

q

"Gluon-Schlauch"

Infrared slavery: keine freien Quarks

Kopplungskonstante wird sogroß, dass Störungstheorienicht anwendbar


Kann man Quarks "sehen" ?

e

e

Zeit

p

Jet

... nicht wirklich, aber wenn sie durch einen starken Stoß aus dem Proton herausgeschlagen werden, bilden sie einen farblosen Jet von geladenen Teilchen, zB bei HERA:

e

Jet

Jet


Ende der Zweifel am Quarkmodell: Die Entdeckung des J/Ψ

"Novemberrevolution" 1974:

C.C.Ting (Brookhaven) und B.Richter (SLAC) entdecken nahezu gleichzeitig ein elektrisch neutrales, äußerst schweres Meson, dreimal so schwer wie das Proton.

Außergewöhnlich lange Lebensdauer von ca. 10-20 Sekunden (≈1000 mal länger als vergleichbare Teilchen)

Plausibelste Erklärung:J/Ψ ist gebundener Zustand eines neuen (vierten) Quarks (c für Charm) und des zugehörigen Antiquarks.

Damit ist Symmetrie zwischen Leptonen und Quarks auch wieder hergestellt

Leptonen (e νe) , (µ νµ) Quarks (d u ) , (s c )

Konsequenz: viele neue Mesonen und Baryonen mit unterschiedlich vielen Charm-Quarks sollten möglich sein.

→ Nachweis von open charm: 1974: Λ+

c = udc und Σ++c = uuc

1976: D0 = c u und D+ = c d

Super Multiplettspseudoskalare Mesonen Baryonen


Der Weg zur umfassenden Theorie

Elektrizität

Erdanziehungskraft

Magnetismus

Licht

Betazerfall

Neutrino Wechselwirkung

Protonen

Neutronen

Pionen

Himmelsmechanik

schwacheWechselwirkung

allgemeineGravitation

Geometrie derRaumzeit

starkeWechselwirkung

Elektro-magnetismus

elektroschwacheWechselwirkung

Standard-Model

AllgemeineRelativitäts

theorie

?


Das Standard Modell "in a nut shell"

wwwpdg.cern.ch/pdg/cpep/standardchart_large.html

Hadronen - Mesonen: qq - Baryonen: qqq


Teilchenphysik und Kosmologie: Astroteilchenphysik

Michael Turner @Lepton-Photon 2001


Teilchenphysik und Astrophysik

Documents

Weiterführende Literatur Elementarteilchenphysikniebuhr/Vorlesung/Hannover/Vorlesung1.pdf · Quarks & Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics, John Wiley, 1984