10 Schwache Wechselwirkung und Elektroschwache Vereinigung
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- Christian Bach
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1 10 Schwache Wechselwirkung und Elektroschwache Vereinigung Seite 1
2 10.1 Grundlagen/Überblick Schwache Wechselwirkung ist eine der vier fundamentalen Wechselwirkungen Schwache Wechselwirkung koppelt an alle Fermionen (Quarks & Leptonen) Eichbosonen der schwachen Wechselwirkung sind massiv~o(100) GeV Reichweite beschränkt auf R~1/M~2x10-18 m Schwache Wechselwirkung bildet keine gebundenen Zustände (beobachten nur Zerfälle) Seite 2
3 Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung erhält: Energie, (Dreh)Impuls,Ladung, Barionzahl, Leptonzahl, CPT Schwache Wechselwirkung verletzt: Parität (maximal): nur linkshändige Teilchen, rechtshändige AntiTeilchen CP: Niveau ~10-3 Seite 3
4 Einteilung der Reaktionen Rein leptonische Reaktionen z.b. Semileptonische Reaktionen z.b. Nicht-leptonische Reaktionen: in Konkurrenz mit starker Wechselwirkung (nur Reaktionen mit ΔS = ΔCh =1 Seite 4
5 Experimentelle Grundlagen: Paritätsverletzung Paritätsverletzung: Nachweis in ß- Zerfällen von 60Co (Experiment von Wu, 1956 Nobelpreis für Yang&Lee 1957) Zerfall von Pionen und Myonen (Garwin et al. 1957): Polarisation der Myon-Spins aus Pionzerfall Zerfall von polarisierten Hyperonen Λ->pπ- (ohne Neutrino!) Seite 5
6 Helizität des Neutrinos Experiment von Goldhaber, Grodzins & Sunyar (1958) Europium (J=0) + e- ->Samarium*(J=1)+νe Samarium* zerfällt in s: Zu schnell, um die Bewegungsrichtung zu erhalten Emittiertes Photon (MeV) in Richtung des Samarium-Spins erhält die Helizität des Neutrinos! Resonante Absorption der vorwärts emittierten Photonen Aus Messung der Polarisation (Helizität) des Photons->Helizität des Neutrinos! Seite 6
7 Experimenteller Aufbau: GoldhaberExperiment (1958) Magnetisiertes Eisen: Absorption ist abhängig von der Polarisationsrichtung des Photons Neutrinos: negative Helizität Antineutrinos: positive Helizität Seite 7
8 Experimentelle Grundlagen CVerletzung Zerfall von Pionen π+ -> μ+νμ π+ νμ μ+ C wegen verkehrtert Helizität des Antineutrinos πνμ μ- P π+ μ- νμ Seite 8
9 10.2 Geladene Ströme (Tafel) Seite 9
10 Kopplungskonstante Kopplungskonstante aus Myon-Lebensdauer (rein leptonischer Prozess) Berechnung mit Crossing-Symmetrie aus Prozess Zerfallsrate aus dem Matrixelement 2 ergibt: Seite 10
11 Kopplungskonstante der schwachen Wechselwirkung Messgrößen: τμ=2,19703(4) μs, mμ=105,658369(9) MeV Kopplungskonstante unter Berücksichtigung der endlichen me, Strahlungskorrekturen: Seite 11
12 Vergleich schwache & elektromagnetische Wechselwirkung Mit Zum Vergleich elektrom. WW: Die Kopplung der schwachen Wechselwirkung ist nicht schwächer als die Kopplung elektromagnetischen WW: Unterdrückt durch massives Austauschteilchen Seite 12
13 Anmerkung zum leptonischen Zerfall Die Myon-Zerfallsbreite (bzw. Lebensdauer) ist ein Spezialfall der Reaktion: Für τ-zerfälle ist jedoch Für semi-leptonische Zerfälle von Quarks Seite 13
14 Schwache Wechselwirkung der Quarks (Tafel) VCKM: Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM)-Matrix Aus der Kombination aller Messungen: Seite 14
15 Anwendung: Zerfälle des τ-leptons Mτ=1777 MeV/c2 -> kann in u,d,s zerfallen Leptonischer Zerfall in l=e,μ Semi-leptonische Zerfälle in u,d,s, Annahmen Gleiche Kopplung für Quarks und Leptonen Aus jedem Quark bildet sich Hadron 3 Farben! Summe: Seite 15
16 Vergleich mit Messungen Erwartete Lebensdauer: τtheor=3,2x10-13 s Gemessene Lebensdauer: τexp = 2,90(1)x10-13 s Unterschied: QCD cτ=87,11 μm Mit Spurendetektor auflösbar! Entdeckung des Tau-Neutrinos (2001, Fermilab am DONUT) Seite 16
17 Neutron: ß Zerfall "Everything comes to him who knows how to wait." Beobachtet in Kernzerfällen Elektronspektrum kontinuierlich Pauli postuliert Geisterteilchen Nachweis 1956 (Nobelpreis 1995) Wolfgang Pauli (*1900, +1958), in HH mit P. Jordan (1955), in HH (Habil.), Nobelpreis 1945 Seite 17
18 Neutrinomasse Elektronspektrum (Kap. 6): Modifiziert durch mν Beste Limits: mv<2.2 ev/c2, neues Experiment in Vorbereitung (x10 Sensitivität) Seite 18
19 KATRIN - Experiment * Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment * Seite 19
20 Ein Umweg von 8000 km... Seite 20
21 Die verrückte Reise eines Vakuumtanks Seite 21
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