3. Flavour - Physik. Vorlesung Teilchenphysik für Fortgeschrittene. Physik der schweren Quarks. 0 Motivation. 1 Beschleuniger und Detektoren

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1 3. Flavour - Physik Vorlesung Teilchenphysik für Fortgeschrittene 0 Motivation 1 Beschleuniger und Detektoren 2 Das Standardmodell 3 Flavor-Physik 3.1 Kaonphysik (A. Denig, ) 3.2 CP-Verletzung im Kaon-System Vorlesung (A. Denig) Vorlesung (A. Denig) 3.3 B-Physik (M. Feindt) Vorlesung vom Vorlesung vom Vorlesung vom Top-Quark-Physik (W. Wagner) Vorlesung Vorlesung Physik der schweren Quarks 4 Neutrinophysik 5 Physik jenseits des Standardmodells 6 Physics at Hadron Colliders

2 Häufig bentuzte Abkürzungen WW = Wechselwirkung QZ = Quantenzahl QM=Quantenmechanik SM=Standardmodell C=Ladungsumkehr-Operation P=Paritäts-Operation CPV = CP-Verletzung T=Zeitumkehr-Operation H=Hamiltonian PDG=Review of Particle Properties (Booklet) Frühere Vorlesungen Teaching

3 3. Flavour - Physik Schwer ist ein relativer Begriff Alltags-Materie (Protonen, Neutronen) besteht aus Quarks und Leptonen der ersten Familie Wir betrachten hier Quarks der 2. Generation (s-quark) und der 3. Generation (b-, t-quark) sowie die Übergänge unterhalb der Quarkfamilien (sog. Flavour-Physik) W ± q i q j

4 Kapitel 3.1 Kaon-Physik B. Cahn 3.1 Kaon - Physik Gliederung: Teil 3.1.1: Seltsame Teilchen: Kaonen Teil 3.1.2: CP-Eigenzustände, K 0 -K 0 -Oszillationen Teil 3.1.3: Regeneration Literatur: 1) Review of Particle Physics; J.Phys. G 33 (2006) 1; 2) The DAΦNE Physics Handbook (Chapter 1);

5 Seltsame Teilchen : Kaonen Erzeugung, Produktion Erste Beobachtung 1946 [Rochester, Butler] in Nebelkammeraufnahmen in der kosm. Höhenstrahlung Teil Erste Aufnahme von sog. V-Ereignissen in Nebelkammer-Aufnahmen [Rochester, Butler, 1946] Signatur unverstanden: SELTSAM ( STRANGE ) Produktionsrate entspricht starker WW ca. 6 Ereignisse dieser Art pro 1000 Aufnahmen $ & Pr od K = L = N ev / N in /# T arget 6 /1000 / (6" 10 K /(v K $ ) = L K 23 = Nukl./ cm /(c% $ ) 8! 10cm / (300# 10 cm / s # 3) " 10 K 2 ) = s! 26 cm Lebensdauer entspricht schwacher WW! 2

6 Seltsame Teilchen : Kaonen Ad-Hoc-Erklärung (hist.) Führe Quantenzahl SELTSAMKEIT (strangeness) ein Teilchen werden in starker WW paarweise erzeugt und zwar mit paarweiser Seltsamkeit S=±1 Seltsamkeit S in starker WW erhalten Teilchen zerfallen in schwacher WW unter Verletzung der Seltsamkeit in ΔS =1 - Übergängen z.b.! 0 0 $ { p # { K "{ S= 0 S=+ 1 S=! " K! # K + "! Erklärung heute Es werden strange- und anti-strange-quarks erzeugt S(s) = 1 S(s) = + 1 Λ 0 K 0 K 0 K + K (uds) S = 1 (sd) S = +1 (sd) S = 1 (su) S = +1 (su) S = 1 Feynman-Diagramm Tafel

7 Seltsame Teilchen : Kaonen Weitere Kaon-Eigenschaften Neutrale und geladene Kaonen sind in 2 Isospin- Dubletts angeordent und zwar jeweils mit S=±1 + ' K $ % " 0 & K 123 # S=! 1! ' K $ % " 0 & K 123 # S=+ 1 Erfüllt GellMann-Nishijima- Formel (Y=Hyperladung=B+S) Q=I 3 +Y/2 Pseudoskalare Vektor- Mesonen Mesonen S I 3

8 Seltsame Teilchen : Kaonen Weitere Kaon-Eigenschaften Kaonen gehören zum Multiplett der pseudoskalaren Mesonen mit Spin=0 (J P =0 ) Masse neutrale Kaonen geladene Kaonen C-Quantenzahl C(K 0 ) 0 = K neutrale Kaonen keine Eigenzustände! ± K 0 Auswahl an typischen Zerfällen von C im Gegensatz zum neutralen π 0, das symmetrischen Quarkinhalt hat! s µ + K + u ν µ s K 0 d W + W + u π 0 d π 0 s K + K 0 u d s W + u π 0 d π u + d u π W + u π + d

9 CP-Eigenzustände Teil Ursprüngliche Annahme, dass die Quantenzahlen C und P in der schwachen WW separat verletzt sind (s. Wu-Experiment), CP aber eine erhaltene QZ ist ν L C P CP ν R ν L ν R Im Falle der neutralen Kaonen P(K 0 ) = - K 0 P(K 0 ) = - K 0 Es handelt sich um pseudoskalare Mesonen P=-1 C(K 0 ) = - K 0 C(K 0 ) = - K 0 eigentlich: C(K 0 ) = e iφ K 0 Phasenfreiheit, wir wählen φ=π CP (K 0 ) = + K 0 Die neutralen Zustände K 0 und K 0 CP (K 0 ) = + K 0 sind keine Eigenzustände von CP

10 CP-Eigenzustände Die Quantenmechanik erlaubt die Superposition von Zuständen. Wir nutzen dies aus, um (normierte) Eigenzustände von CP zu konstruieren! K 1 > = 1/ 2 ( K 0 > + K 0 > ) K 2 > = 1/ 2 ( K 0 > - K 0 > ) CP (K 1 ) = 1/ 2 ( K 0 + K 0 ) = + K 1 CP (K 2 ) = 1/ 2 ( K 0 - K 0 ) = K 2 Wir verlangen von den physikalisch messbaren Teilchen, dass sie Eigenzustände von CP sind. Somit beobachten wir im Experiment die Teilchen K 1 und K 2, die auch K S, K L genannt werden, siehe später. Zerfall Die CP-Eigenschaften von K 1 und K 2 bestimmen auch ihren Zerfall in Pionen: K 1 2π (π + π, π 0 π 0 ) K 2 3π (π + π π 0, 3π 0 ) (CP=+1) (CP= 1) P(π ± ) = - 1

11 Kaon - Lebensdauern Lebensdauern K 1, K 2 Die CP-Eigenschaften von K 1 und K 2 bestimmen auch ihren Zerfall in Pionen: τ(k 1 ) = s τ(k 2 ) = s 550 x τ(k 1 ) = K S = K L Unterschied gegeben durch unterschiedlichen Phasenraum im Zerfall von K in 2 bzw. 3 Pionen: m(k 0 ) 480 MeV m(2π) 280 MeV ΔE = 200 MeV m(3π) 420 MeV ΔE = 60 MeV WICHTIG DIE PHYSIKALISCH BEOBACHTBAREN TEILCHEN SIND K S UND K L (ODER K 1, K 2 ) MIT EINER DEFINIERTEN MASSE UND LEBENSDAUER = MASSEN - EIGENZUSTÄNDE ERZEUGT WERDEN DIE ZUSTÄNDE K 0 BZW. K 0 MIT EINER DEFINIERTEN STRANGENESS (QUARK-INHALT) = FLAVOUR - EIGENZUSTÄNDE Je nach Bedürfnis der phys. Frage wählen wir die eine oder die andere Basis!

12 K 0 - K 0 - Oszillationen Zur Produktionszeit t=0 wird entweder ein K 0 ( K 0 ) erzeugt, das in Übergängen der 2. Ordnung der schwachen WW in ein K 0 (K 0 ) oszillieren kann. Dies entspricht Übergängen mit ΔS = 2, also einer Änderung der Strangeness-QZ um 2! s u, c, t K 0 > W W + K 0 > d s S=1 u, c, t S= 1 K S - K L - Massendifferenz ergibt sich als direkte Konsequenz der K 0 - K 0 Oszillationen; Η sei der für die Übergänge zuständige Hamiltonian: d " m = m1! m2 = < K1 H K1 >! < K2 H K2 > K + K K + K K! K = < H >! < H =... = < K H K >! < K H K > K 0! K 2 0 >

13 K 0 - K 0 - Oszillationen K S - K L - Massendifferenz Experimentell ergibt sich für die Massendifferenz: Δm = ev/c 2 Δm/m = ! Wie kann eine solch kleine Differenz gemessen werden? Δm bestimmt die Oszillationsfrequenz also müssen wir Oszillationsexperimente durchführen Oszillationsexperimente Annahme: t=0, ψ(0)> = K 0 > reiner K 0 -Strahl Zeitliche Entwicklung: ψ(t)> Wahrscheinlichkeit, zur Zeit t den Zustand K 0 (bzw. K 0 ) zu finden ist: I(K 0,t) = < K 0 ψ(t) > Tafel: Rechnung zeitliche Entwicklung eines ursprünglichen K 0 -Strahls I(K 0 Γ,t) = ¼ [e 1 t Γ + e 2 t t/2 (Γ +2 e 1 +Γ 2 ) cos(δm t)] I(K 0 Γ,t) = ¼ [e 1 t Γ + e 2 t t/2 (Γ 2 e 1 +Γ 2 ) cos(δm t)] unterschiedliches Vorzeichen K 0, K 0 Interferenzterm enthält Δm-Term

14 K 0 - K 0 - Oszillationen Zeitliche Entwicklung der Intensität eines ursprünglich reinen K 0 -Strahls t 3τ S : K 0 Anteil wird größer als K 0 t=0: nur K 0 K 0 =1/ 2 (K S +K L ) t τ S : K 0 Anteil wächst t 10τ S : K 0 und K 0 identisch, alle K S ausgestorben: K L =1/ 2 (K 0 -K 0 )

15 CPLEAR - Experiment Datennahme / CERN Der LEAR Antiprotonen-Speicherring 200 MeV/c ; 10 6 p/s Das CPLEAR - Experiment

16 CPLEAR - Experiment Tafel ΔS = ΔQ - Regel

17 CPLEAR - Experiment

18 CPLEAR - Experiment x=parameter, der Verletzung der ΔS=ΔQ-Regel parametrisiert x=0 im Standardmodell

19 Teil Regeneration Experimentelle Beobachtung: Ein reiner K L Strahl wird durch ein Stück Material geschossen. Nach Durchlaufen des Strahls wird wieder eine K S -Komponente beobachtet = Regeneration π Target K S Regenerator K L π p K 0 Λ 0 K L K L K S Erklärung: Unterschiedliche WW von K 0 und K 0 im Material des Regenerators aufgrund unterschiedlicher stark ww. Prozesse! Keine Überraschung: p und p ww. auch unterschiedlich, da Hadronen im Material aus Materie und nicht Antimaterie bestehen! Vor Generator: K L =1/ 2 (K 0 +K 0 ) 50% K S, 50% K L Nach Generator: Verhältnis K 0, K 0 nicht mehr symmetrisch Regenerierung einer K S - Komponente

20 Regeneration K 0 K L 1/ 2 Vor dem Regenerator 1/ / 2 K 0 K 0 1/ 2 Nach dem Regenerator K L 1/ 2 45 K S 1/ 2 K 0

21 Zusammenfassung heute Kaonen besitzen ein Strange-Quark Zerfall eines Strange-Quarks gelingt nur in schwacher geladener WW (Übergang innerhalb einer Quarkfamilie) Strangeness-Zustände K 0, K 0 mischen zu CP- Eigenzuständen K 1 (CP=+1) und K 2 (CP=-1) Großer Lebensdauerunterschied zwischen K 1 und K 2 gegeben durch den Zerfall in die CP-Eigenzustände K 1 2π (CP=+1) und K 2 3π (CP=-1) man nennt die Massen- Eigenzustände K S und K L K 0 und K 0 können ineinander oszillieren in Übergängen 2. Ordnung der schwachen WW (ΔS=2) Oszillationen führen zu Massenunterschied zwischen K S und K L

22 Kaonen im PDG pseudoskalare Mesonen

23 Kaonen im PDG pseudoskalare Mesonen

24 Kaonen im PDG CPV nächste Woche