Entdeckung der c/b/t - Quarks Seminarvortrag Fakultät für Physik und Astronomie Institut für Experimentalphysik I Hadronenphysik

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1 Entdeckung der c/b/t - Quarks Seminarvortrag Fakultät für Physik und Astronomie Institut für Experimentalphysik I Hadronenphysik

2 Geschichte des Standardmodels Atom ist unteilbar? Bis Ende 19. Jh.: Atome elementar Entdeckung der Kathodenstrahlung 1876 (später Interpretation als Strom elektrisch geladener Teilchen) Atome müssen aus Einzelbausteinen zusammengesetzt sein Weitere Erkentnisse: 1886 Kanalstrahlen 1896 Radioaktivität durch Becquerel 1911 war das Kern-Hülle-Modell durch Rutherfords Streuexperimente geboren 2

3 Geschichte des Standardmodels Beschreibung von Hadronen Anfang 1960er Murray Gell-Mann (auch unabhängig George Zweig): es gibt noch kleinere elementare Bausteine, die Quarks Anfangs reichten 3 Arten ( Geschmacksrichtungen, engl.: Flavours ): Isospin up/down und Strangeness zur Beschreibung der damals entdeckten Hadronen z.b. Proton/Neutron gleiches Teilchen, nur anderer Isospin Später erst Beschreibung über Quarks: Zurdnung: up-, down und strange-quark 3

4 Geschichte des Standardmodels Quarks, aber nicht frei Quarks bis heute nicht frei nur in Kombination zu Mesonen oder Baryonen (Quarkeinschluss, engl.: confinement) Substruktur der Protonen mit tiefinelastische Streuung (Ende 60er Jahre) Durch Beschuss von Protonen mit hochenergetischen Elektronen mit Protonen (70er Jahre) Bis 1974: Quarks nicht mit den inneren Teilchen (Partonen) gleichgesetzt Pauli-Verbot schien verletzt zu sein Auch Einführung der sog. Farbe, welche die Quarks unterscheidbar machen sollte, brachte keine anderen Ansichten. 4

5 Geschichte des Standardmodels Das vierte Quark, charm-quark Im November 1974: größte Zweifel durch die Entdeckung des J/Ψ-Mesons (c c) von zwei Gruppen aus der Welt geschafft Weitere Mesonen und Baryonen mit c-quarks gefunden Quarkmodell galt als gesichert Man war zufrieden, da es nun 4 Leptonen und 4 Quarks gab J/ψ-Meson D 0 -Meson c c Λ c -Barion c u d c u 5

6 Geschichte des Standardmodels Bottom- oder beauty-quark Allerdings wurde 1975 das Tauon und das zugehörige Neutrino entdeckt Parallele von 4 Quarks und 4 Leptonen zunichte Doch bereits 2 Jahre später wurde ein Meson, welches aus einem 5. Quark/Antiquark bestehen musste, entdeckt das Bottom-Quark war entdeckt (1977) Y-Meson (1977) Λ b -Barion (1981) B 0 -Meson (1983) b b b u d d b 6

7 Geschichte des Standardmodels Das letzte Quark in der Reihe, top-quark Idee weiterhin: gleiche Anzahl von Leptonen und Quarks musste noch lange auf Probe gestellt werden top- oder truth-quark 1995 am Fermilab (Tevatron) in Chicago entdeckt extrem hohe Masse des top-quark es dauerte, bis die Beschleuniger-Technologie ausreichende Energien erreichen konnte 7

8 Geschichte des Standardmodels Übersicht 1964 up-quark 1964 down-quark 1964 strange-quark 1974 charm-quark 1977 bottom-quark 1995 top-quark 8

9 Quarks Was sind nun überhaupt Quarks? Quarks sind Fermionen -> Spin 1 2 Teilchen Sie tragen Drittelladungen -> q = 2 3 e oder q = 1 3 e Sie bilden die elementaren Bausteine für Hadronen (Mesonen und Baryonen) Allerdings gibt es keine freien Quarks Es existiert zu jedem Quark ein Antiquark mit umgekehrten Quantenzahlen Zusammen mit den Leptonen und den Eichbosonen sind sie heute als die fundamentalen Bausteine für Materie eingeordnet 9

10 Quarks Wechselwirkung Elektromagnetische Kraft Starke Kraft Schwache Kraft 10

11 Quarks Trennung von Quarks Quark Abstand 1,2 fm Kraft zwischen Quarks N Energieaufwand nimmt mit größerem Abstand zu Vorstellung: Gluonen bilden Strang, dessen Energie mit dem Abstand wächst 11

12 Quarks Wer hat sich so einen Namen ausgedacht? Murray Gell-Mann 15. Sep. 1929, New York Physik an der Yale University Promotion am MIT Professor am Caltech 1969 Physik Nobelpreis Three quarks for Muster Mark 12

13 Quarks Wer war der Zweite? George Zweig Physik, später Neurobiologe Arbeitete am CERN Nannte die Bausteine Aces Veröffentlichungen scheiterten am Widerstand seiner Vorgesetzten 13

14 Up-, down- und strange-quarks Die ersten Quarks Der Name kommt durch den Isospin in Analogie zu Heisenbergs Vorschlag der zwei Orientierungen up und down Da das Σ +, Σ und Σ 0 alleine mit dem up- und down-quark nicht beschrieben werden konnte, führt Gell-Mann noch ein seltsames Quark ein Im Gegensatz zum up- und down Quark, hat das strange-quark eine eigene Eigenschaft, die Strangeness ( seltsamkeit -1) Der Name des s-quarks ergibt sich aus den schon vorher entdeckten seltsamen Teilchen (Kaonen oder Hyperonen) 14

15 Up-, down- und strange-quarks Teilchenzoo Baryonen Multipletts 15

16 Charm-Quark Doch noch eins c-quark nicht von Anfang an mit in der Theorie Erst 1970 postuliert und 1974 erstmals experimentell erzeugt Es wird in dem sog. GIM-Mechanismus von Sheldon Glashow, John Iilopoulus und Luciano Maiani beschrieben Mit dem s-quark zusammen gehört es zur 2. Generation im Standardmodell Das c-quark bezeichnet das Gegenstück zum s-quark und hat analog dazu eine eigene Eigenschaft, die Charmness +1 16

17 Charm-Quark Eigenschaften Bestandteil der D-Mesonen und J/ψ-Mesonen Charmness +1 J/ψ-Mesonen mit c-quark relativ lange Lebensdauer von ca s kann nur über die schwache WW in ein s- oder d-quark zerfallen D-Mesonen zu massiv J/ψ-Meson D 0 -Meson D S + -Meson c c c u D + -Meson c d c s 17

18 Charm-Quark J/ψ nicht Grundzustand J/ψ-Meson als erstes entdeckt Nicht Grundzustand des Charmonium Grundzustand η C mit früheren Detektoren noch nicht detektierbar 18

19 Charm-Quark Entdeckung Brookhaven 1974 Experimentelle Entdeckung über Reaktion: p + Be e + e + X J/ψ(cc) 19

20 Charm-Quark Experimenteller Aufbau 20

21 Charm-Quark Messung Samuel Ting Aufgetragen: Events gegenüber invarianter Masse erwartet: kontinuierliches Spektrum fallende Kurve Ergebnis: schmale Resonanz bei etwa 3,1 GeV das J-Teilchen wurde entdeckt 21

22 Charm-Quark SLAC Mark I Detektor Reaktion: e + e - γ* J/ψ Anomalie bei 1,6 GeV/c Schwerpunktsenergie 3,2 GeV/c Burton Richter 22

23 Charm-Quark Mark I Detektor 23

24 Charm-Quark Reaktion e + e - annihilieren über ein virtuelles Photon in ein Quark/Antiquark Paar Das ψ-teilchen 24

25 Bottom-Quark Das erste der 3. Generation Entdeckt 1977 von der E288-Gruppe mit Leon Lederman (Fermilab) Y-Meson (bb) Über 4 mal Protonmasse Y-Meson Reaktion Experiment: p + N μ + + μ + X b b 25

26 Fermilab Daten Gegründet 1968 bis 1983 Main Injector s = 400 GeV Ab 1983 Tevatron s = 1,96 TeV Umfang 6,3 km Tevatron 2011 stillgelegt 26

27 Bottom-Quark Messung 400 GeV Protonstrahl x 27

28 Bottom-Quark Eigenschaften Lebensdauer s Zerfällt in charm- und up-quark Bottomness -1 B S 0 -Meson B C + -Meson B + -Meson b u Y-Meson b b s b c b B 0 -Meson d b 28

29 Top-Quark Die Suche hat ein Ende Quark-Antiquark Annihilation Über 18 Jahre Suchdauer 1995 endlich experimentell entdeckt Fermilab Gluon-Fusion 29

30 Top-Quark Eigenschaften Sehr kurze Lebensdauer 4, s Somit keine Bildung von Hadronen Wie b-, c- und s-quark nur künstlich in Beschleunigern 99,8% Zerfall in b-quark und W-Boson Topness +1 Quark-Antiquark Annihilation Gluon-Fusion 30

31 Top-Quark Das schwerste Quark Bei weitem die größte Masse So schwer wie ein Goldatom Masse (heute): 173,34 ± 0.27 (stat) ± 0,71 (syst) GeV 31

32 Top-Quark Das schwerste Quark Bei weitem die größte Masse So schwer wie ein Goldatom Masse (heute): 173,34 ± 0.27 (stat) ± 0,71 (syst) GeV 32

33 Standardmodel Vollständig? 1964 up-quark 1964 down-quark 1964 strange-quark 1974 charm-quark 1977 bottom-quark 1995 top-quark 4.Juli 2011 Higgs??? 33

34 Standardmodel Ausblick: 4. Generation?! Kann es noch eine 4. Generation im Standardmodel geben? Sie müssten schwerer als bekannte Fermionen sein Masse jenseits der top-masse Wahrscheinlichkeit von 99,99999% (5,3 σ) keine weiteren Fermionen Bestätigung durch Entdeckung von Higgs-Teilchen bei erwarteter Masse Wechselwirkung müsste stärker als Higgs-Teilchen sein Eigenschaften und Deutung des Higgs müssten völlig überdacht werden Standardmodell abgeschlossen?! Forschung weiter bei Higgs-Teilchen 34

35 Vielen Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 35