Gespiegelte Antiwelten: Die experimentelle Bestätigung der Nobelpreis-2008-Theorie. Prof. Dr. Michael Feindt Karlsruher Institut für Technologie KIT

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1 Gespiegelte Antiwelten: Die experimentelle Bestätigung der Nobelpreis-2008-Theorie Prof. Dr. Michael Feindt Karlsruher Institut für Technologie KIT

2 Physik-Nobelpreis

3 ,,für die Entdeckung der Herkunft der gebrochenen Symmetrie, die die Existenz von mindestens drei Familien von Quarks in der Natur bedingt. 2008

4 Erst 36 Jahre nach der Veröffentlichung (1972) mit dem Nobelpreis ausgezeichnet 1972 Erst jetzt ist man ganz sicher, dass die Theorie stimmt.

5 1972 Symmetriebrechung von Parität P und Ladungskonjugation C, CP-Erhaltung Kleine Brechung der CP- Symmetrie Quark-Modell mit 3 Quarks Kobayashi, Maskawa: CP-Verletzung erklärbar im Quark-Modell mit 6 Quarks Entdeckung des 4. Quarks Charm Entdeckung des 5. Quarks Beauty Teilchen-Antiteilchen-Oszillationen vom B 0 Entdeckung des 6. Quarks Top Erste Messung von CKM-Matrix-Elementen CP-Verletzung im B-System (B-Factories) Teilchen-Antiteilchen-Oszillationen vom B s Direkte CP-Verletzung im B-System Vielzahl von präzisen Messungen bestätigen CKM-Bild

6 Parität Linkshändiges Koordinatensystem x y Rechtshändiges Koordinatensystem y x z z

7 Pre- 1950: Es existiert eine Symmetrie bezüglich der Raumspiegelung: Physik hängt nicht davon ab, ob wir rechtshändiges x,y,z oder linkshändiges Bezugssystem x,-y,-z als Basis nehmen. Erhaltene Quantenzahl P (Parität). Ähnlich: Physik hängt nicht davon ab, ob wir Proton und Elektron als Materie bezeichnen und Antiproton und Positron als Antimaterie oder umgekehrt. Erhaltene Quantenzahl C (Ladungskonjugation).

8 1956 Beobachtung zweier Teilchen θ und τ mit gleicher Masse, Lebensdauer, Spin und Produktionsmechanismus, aber Zerfallsmoden unterschiedlicher Parität. Lee und Yang1956: Es handelt sich um ein ein und dasselbe Teilchen. Der Zerfall durch die schwache Wechselwirkung verletzt die Paritäts-Symmetrie. Nobelpreis 1957

9 1957 Chien-Shiang Wu 1957: Experimenteller Beweis: Das Spiegelbild eines schwachen Zerfalls sieht nicht so aus wie der Zerfall selbst. Man kann unterscheiden, ob man sich in der realen Welt oder in einer Spiegelwelt befindet.. Grundsätzliche Asymmetrie zwischen links und rechts. Parität P ist in der schwachen Wechselwirkung maximal verletzt.

10 1957 Ebenso ist Ladungskonjugation C maximal verletzt. Nur linkshändig drehende Teilchen und rechtshändig drehende Antiteilchen nehmen an der schwachen Wechselwirkung teil. Aber: Gemeinsame Anwendung von P und C führt zu erlaubten Zustand (CP-Erhaltung)

11 Gespiegelte Welt Paritäts-Spiegel Linksdrehendes Neutrino Rechtsdrehendes Neutrino

12 Antiwelt Ladungskonjugations- Spiegel Linksdrehendes Neutrino Linksdrehendes Antineutrino

13 Gespiegelte Antiwelt CP-Spiegel Linksdrehendes Neutrino existiert CP erhalten Rechtsdrehendes Antineutrino

14 : Val Fitch and James Cronin: Entdeckung einer kleinen Verletzung der CP-Symmetrie im Zerfall neutraler K-Mesonen: 0,3%-Effekt Es gibt grundsätzlichen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie Nobelpreis

15 1967 Zur Zeit des Urknalls herrschte Symmetrie zwischen Materie, (keine) und Antimaterie (keine). Heute bestehen alle Galaxien aus Materie, nicht aus Antimaterie. 1967: Andrej Sakharov: Theoretische Voraussetzungen, um die Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum zu erklären: Universum nicht im thermischen Gleichgewicht Baryonenzahl-Verletzung Verletzung der CP-Symmetrie Nobelpreis (für Frieden) 1975

16 Murray Gell-Mann Quark-Modell Große Zahl entdeckter Elementarteilchen können als gebundene Zustände von nur 3 grundlegenden Bestandteilen, den Quarks, erklärt werden. Es gibt drei Sorten (Flavours) Quarks: up, down, strange Nobelpreis 1969

17 Schwache Wechselwirkung (W-Boson-Austausch) -- ändert Lepton-Flavour in einer Familie. Keine Übergänge zwischen beiden Familien. e ν e µ ν µ --ändert Quark-Flavour hauptsächlich in einer Familie, aber auch etwas über Familengrenze hinweg u d s

18 Idee von Cabibbo 1963 (vor Quark-Modell) 1963 u Stärke von Kopplung von u an d und u an s ist zusammen genau so groß wie bei Leptonen. d s Bezüglich der schwachen WW kann man sagen, dass u nicht an d und s koppelt, sondern eine Kombination d, und gar nicht die andere Kombination s. u d s

19 Das Koordinatensystem d,s der schwachen Wechselwirkung kann durch Drehung aus dem Koordinatensystem d,s der starken Wechselwirkung erhalten werden. Ein Drehwinkel θ C wird benötigt. s s Drehung in 2 Dimensionen kann durch eine unitäre 2x2-Matrix beschrieben werden. Unitär: Länge von Vektoren werden nicht verändert (Wahrscheinlichkeitserhaltung) d d

20 Glashow Iliopoulos Maiani Symmetrie zwischen Leptonen und Quarks. e µ ν e ν µ Fehlen von flavour changing neutral currents kann durch hypothetisches 4. Quark (charm) beschrieben werden. u d c s

21 Kobayashi und Maskawa 1972 postulieren Existenz von insgesamt 6 Quarks in 3 Familien. u c t d s b Dann tritt CP-Verletzung auf natürliche Weise auf.

22 1972 Dann würde es eine unitäre 3x3-Matrix geben, die die Basis der starken Wechselwirkung in die der schwachen Wechelwirkung rotiert. Dann tritt CP-Verletzung auf natürliche Weise auf.

23 1972 Die allgemeinste unitäre 3x3-Matrix wird durch 3 Drehwinkel und eine komplexe Phase beschrieben. Komplexe Zahl: Beinhaltet Realteil und Imaginärteil i = 1 Komplexe Zahlen: sehr nützliches mathematisches Instrument, um Naturvorgänge zu beschreiben. Hier führt Imaginärteil zu CP-Verletzung.

24 1973 Aus Kobayashi, Nobel-Vortrag 2008

25 1972 Nochmal: Kobayashi und Maskawa postulieren Existenz von 6 Quarks zu einer Zeit, in der nur 3 Quarks bekannt waren, u c t d s Und 9 Übergänge, als nur 2 bekannt waren. Damit der mathematische Formalismus flexibel genug ist, CP-Verletzung zu erzeugen. b

26 1973 Warum nicht gleich der Nobelpreis? Eine von Tausenden Veröffentlichungen pro Jahr in der Teilchenphysik. Zunächst kaum beachtet. Experimentelle Verifikation nötig.

27 1974: Entdeckung des charm-quarks,,november Revolution Nobelpreis 1976 e µ 1974 Samuel Ting ν e ν µ u t Burton Richter d s b

28 1975: Entdeckung des tau-leptons SLAC Mark I 1975 Nobelpreis Martin Perl e µ τ ν e ν µ u t d s b

29 1977: Entdeckung des b-quarks Fermilab Leon Ledermann e µ τ 1977 ν e ν µ u t Nobelpreis 1988 (für etwas anderes) d s b

30 : Entdeckung des top-quarks Fermilab CDF /D0 Experimente e µ τ ν e ν µ u t d s b

31 2000: Entdeckung des tau-neutrinos Fermilab DONUT Experiment e µ τ ν e ν µ ν τ u 2000 d s b

32 Kobayashi und Maskawa hatten Recht: e µ τ Es gibt 6 Quarks in 3 Familien. ν e ν µ ν τ Es gibt auch 6 Leptonen in 3 Familien u d s b

33 Aber hatten sie auch damit Recht, dass mit dem Imaginärteil einer unitären 3x3-Matrix alle CP-Verletzungsphänomene beschrieben werden können? Ist KM-Matrix wirklich komplex? Im Standardmodell gibt es Beziehungen zwischen vielen Meßgrößen. Präzisionsmessungen sind sehr sensitiv auf neue Physik. Graphische Veranschaulichung im,,unitaritäts-dreieck.

34 Unitarität von

35 B-Meson-Lebensdauern: LEP, CDF, D0, B-Fabriken B-Lebensdauern Maß für Seite BC Uni Karlsruhe beteiligt

36 b u-zerfälle: LEP, B-Fabriken B->u Verzweigungsverhältnisse Maß für Seite CA Uni Karlsruhe beteiligt

37 Merkwürdige Eigenschaft einiger Teilchen: Neutrale B-Mesonen wandeln sich in ihre eigenen Antiteilchen um und umgekehrt. Teilchen-Antiteilchen -Oszillationen

38 Neutrale B- und Bs- Mesonen können in ihre eigenen Antiteilchen oszillieren und zurück. B 0 : LEP ca., B-Fabriken B s : CDF 2006, D Oszillationsfrequenzen Maß für Seite AB Uni Karlsruhe beteiligt

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41 Quantenmechanik: In jeder Kollision passiert etwas anderes. Experimente: Statistisches Analysen vieler Ereignisse OPAL experiment at LEP

42 CDF D0 Main building Main ring and Tevatron Injection ring

43 Presse (Die Welt vom 21. April 2006) Entdeckung von B S -Oszillationen NeuroBayes

44 Spin-off in die Wirtschaft Nach sehr vielen erfolgreichen Anwendungen in der Elementarteilchenphysik- Grundlagenforschung Potenzial von NeuroBayes für die Wirtschaft erkannt. High-Tech-Ausgründung aus Elite-Universität Karlsruhe nutzt und optimiert NeuroBayes für die Wirtschaft. Gründung 2002 Heute ca. 30 Mitarbeiter, hauptsächlich promovierte Physiker Sehr erfolgreiche Prognoseprojekte für Versicherungen, Banken, Handel, Industrie, Sportereignisse etc.

45 Messung der Seiten aus B-Oszillationen, b-->u- Zerfällen und CP-Zerletzung im K-System

46 Auch ohne CP-verletzende Effekte zu messen, weist die Messung der drei Seiten schon auf die Existenz eines Imaginärteils hin: CA + AB > CB Endgültiger Beweis und Konsistenzcheck durch Messung der Winkel in CP-verletzenden Prozessen

47 Fermilab Cornell DESY KEK KEK SLAC CERN

48 B-Factory Belle (Japan)

49 B-Factory BaBar (USA)

50 Konventionelle 10 GeV e + e - - Collider e + e Υ(4S) B 0 B 0 B-Mesonen sind fast in Ruhe Lebensdauer nicht meßbar

51 Asymmetrische 10 GeV e + e - - Collider e + e Υ(4S) B 0 B 0 B-Mesonen fliegen in Richtung des hochenergetischen Strahls Lebensdauern aus Distanz und Impuls rekonstruierbar

52 B- Zerfälle in CP-Eigenzustände: z.b. in 2 Teilchen, die ihre eigenen Antiteilchen sind. Beispiel: J/ψ Κ S Sowohl B 0 als auch B 0 können in den selben Endzustand zerfallen: B 0 J /ψ K S B 0 J /ψ K S

53 B 0 (t) B 0 (0) J/ψ Κ S B 0 (t)

54 Analogie zur Optik: Doppelspaltversuch Interferenzen!

55 Interferenzen hängen von Phase ab... Oszillation fügt Phase ein Oszillation B 0 B 0 B 0 (t) J/ψ Κ S B 0 J/ψ Κ S B 0 B 0 Interferenz nicht gleich - CP-Verletzung! Vorhersage: Zeitabhängigkeit von B 0 und B 0 ist unterschiedlich

56 B 0 J /ψ K S 0 - Ereignis, mit Lepton - Tagging other B other B other B, other B

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58 Verrückte Quantenwelt Tagging-Seite CP-Eigenzustand Diese Seite wird als gemessen Dann muss diese Seite zum Zeitpunkt t 1 ein sein. Tagging-Information wird instantan durch den Raum kommuniziert, obwohl B s schon ein paar hundert Mikrometer voneinander entfernt sind. EPR Paradoxon: Einstein wollte das nicht glauben

59 Verrückte Quantenwelt Dies ist ein Beispiel für das EPR Paradoxon der Quantenmechanik. Information wird scheinbar schneller als mit Lichtgeschwindigkeit transportiert. Erklärung: Y(4S) zerfällt in kohärenten quantenmechanischen Zustand, die beiden B sind nicht unabhängig voneinander, eines ist immer das Antiteilchen des anderen, bis die Symmetrie durch einen Zerfall in einen Nicht-Eigenzustand gebrochen wird. Dann fängt die Uhr an zu ticken, das andere B0 kann in sein Antiteilchen oszillieren.

60 Die Messung tag C P November 19, 1999 CP Violation in B Meson Decays 60

61 Asymmetrie in dieser Kurve ist CP-verletzend, misst einen der Winkel im Unitaritätsdreieck

62 Hunderte von Präzisionsmessungen bestätigen alle die Gültigkeit des Kobayashi-Maskawa- Modells. Matrix-Elemente sehr genau bekannt 2008 Die Zeit ist reif für den Nobelpreis...

63 2008

64 Kann Standard-Modell-CP-Verletzung die große Baryon-Antibaryon-Asymmetrie erklären? Nein. Es muss neue, bisher unbekannte Teilchen und Effekte geben Direkte Suche am LHC Indirekte Suche bei Super-B-Fabrik Belle II

65 Belle hat fast 1 Milliarde B-Paare aufgenommen, KEKB-Beschleuniger: Weltrekord in Kollisionsrate. Super-KEKB: noch einen Faktor mehr! 2012 Sehr seltene Prozesse können gefunden werden Fenster zu neuer Physik

66 Vielen Dank.

67 Nächsten Samstag: Prof. Dr. Guido Drexlin Boten aus dem Universum Neutrinos, dunkle Materie und kosmische Strahlung Übernächsten Samstag: Prof. Dr. Thomas Müller Der Large Hadron Collider am CERN - dem Urknall auf der Spur