Kerne und Teilchen. Moderne Physik III

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1 Kerne und Teilchen Moderne Physik III Vorlesung # Grundlagen der Elementarteilchen-Physik 7.1 Der Teilchenzoo 7.2 Hadronen und Leptonen 7.3 Wechselwirkungen im Standardmodell - starke Wechselwirkung - elektromagnetische und schwache Wechselwirkung 7.4 Das Quarkmodell - relevante Symmetrien - Mesonen - Baryonen - Schwere Quarks und gebundene Zustände

2 Existenz von exotischen Hadronen? Zahlreiche Suchen nach exotischen Baryon- & Mesonzuständen normales Baryon normales Meson Quantenchromodynamik (QCD) erlaubt die Existenz z.b. von Tetraquarks: Resultate der BELLE, BES Experimente in Japan und China können als möglicher Hinweis für ein Tetraquarks gedeutet werden: 2010 Pentaquark Tetraquark e + e - Y(10890) ϒ(1S,2S)π + π - Z (3900) c c 2013 Glueball Hybridmeson e + e - Z(3900) + γ J/Ψπ + π - + γ

3 7.4 Das Quarkmodell a) Relevante Symmetrien Mesonen und Baryonen: Für die Einordnung von Hadronen sind Symmetrien wichtig: Ladung Q : Isospin I : Ladungserhaltung, Symmetrietransformation Ψ = Ψ e i α Q α = reeller Phasenfaktor, unitäre Transformation U(1)-Gruppe exakt erhaltene globale Symmetrie eingeführt von Heisenberg (1932) Spiegelkerne, m(p) m(n) starke Wechselwirkung ist ladungsunabhängig [H,I] = 0 - Nukleon (p,n) Isospin-Dublett, Pion (π +, π 0, π - ) Isospin-Triplett erstes Beispiel einer Flavoursymmetrie der Quarks (u,d)-quark-isospin-dublett mit Isospin I 3 = +½ (u), -½ (d) uud Proton Neutron udd _ ud π + π 0 π - _ ud I 3 = +½ I 3 = -½ I 3 = +1 I 3 = 0 I 3 = -1

4 Isospin-Symmetrie Alle anderen Quarks (s,c,b,t) sind Isospin-Singuletts. Mit den Quark-Dubletts _ (u,d) und (u,d) erhält man: - Mesonen (qq): Singuletts mit I = 0 (ω) Tripletts mit I = 1 (π,ρ) - Baryonen (qqq): Dubletts mit I = ½ (p,n) Quadrupletts mit I = 3/2 (Δ ++, Δ +, Δ 0, Δ - ) Isospininvarianz & -verletzung: - starke Wechselwirkung: invariant unter Rotationen im Isospinraum, Erhaltung von I und I 3 - elektromagnetische WW. : Erhaltung von I, Verletzung von I 3 - schwache Wechselwirkung : Verletzung von I und I 3

5 Strangeness historischer Rückblick Seltsame Teilchen: K 0 (neutrales Kaon), Λ (Lambda-Hyperon) unterschiedliche Erzeugungs-/Zerfalls-Reaktionen: π - + p K 0 + Λ K 0 π + + π - Λ p p+π+ π - starke Wechsel- Wirkung: σ ~ 1mb paarweise Erzeugung Strangeness-Erhaltung ΔS=0= 0 schwache Wechsel- Wirkung: τ ~ 100 ps einzelner Zerfall von K 0, Λ Strangeness-Verletzung ΔS =1 Lambda Kaon Einführung der additiven Quantenzahl: Strangeness S Definition: S(K 0 ) = +1 S(Λ) = -1 s-quark = +1 s-quark = -1 Wechselwirkungen: stark/elektromagnetisch: ΔS = 0, schwach: ΔS = 0, ±1

6 Flavour-Symmetrie Mit weiteren schweren Quarkflavours s,c, ergibt sich eine Erweiterung der Isospinsymmetrie auf eine Flavoursymmetrie SU(3)-Gruppe: (u,d,s) Quarks mit additiven Quantenzahlen - Isospin I 3 - Hyperladung Y (Y = B + S): Baryonenoktett Baryonendekuplett Mesonenoktette (J = 0, 1) SU(4)-Gruppe: (u,d,s,c) Quarks mit - Isospin I 3 - Hyperladung Y, Charm C hadronische 20-pletts & 16-pletts d -1/2 s Y +1/3-2/3 +1/2 SU(3): fundamentale Darstellung und Zuordnung der Quarks u I 3

7 Gell-Mann Nishijima Formel Gell-Mann / Nishijima Formel für Hadronen & für Quarks beschreibt Relation zwischen Ladung Q, Baryonenzahl B und Strangeness S: 1 1 Q = I 3 + ( B + S ) Q = I 3 + Y 2 2 B = Baryonenzahl Y = Hyperladung = B+S Verallgemeinerung der Formel für alle 6 Quarkflavours 1 Q = I 3 + ( B + S + C + B + T 2 S = B = ( n s ( n b n n s b ) ) T ) ( n ( n S: strangeness C: charm B : bottom T: top C = = + + c t n n c t ) ) Murray Gell-Mann (*1929) Kazuhiko Nishijima ( ) Nobelpreis 1969

8 b) Mesonen Multiplette Mesonen: mit Isospin (I 3 ) und Hyperladung (Y): Gruppierung in ein Nonett

9 Mesonen Nonett

10 Die SU(3)-Flavoursymmetrie der Mesonen wird durch die unterschiedlichen Quarkmassen (u ~ 2 MeV, d ~ 4.8 MeV, s ~ 92 MeV) gebrochen: stark unterschiedliche Massen der pseudoskalaren Mesonen

11 c) Baryonen Multiplette Isomultipletts: da Baryonen aus 3 Quarks aufgebaut werden, gibt es = ein Baryonen-Dekuplett (J = 3/2) - zwei Baryonen-Oktette 1 Oktett symmetrisch / 1 Oktett antisymmetrisch unter Austausch von qq -ein Baryonen-Singulett Pauli-Prinzip: Gesamtwellenfunktion des Baryons muss antisymmetrisch sein - Orts-, Spin-, Flavour-, Farb- Anteile der Wellenfunktion -Beispiel J = ½ Baryonen ( ) gemischte Spin-Symmetrie (keine reine symmetrische/antisymmetrische Wf.) die Flavoursymmetrie (u,d,s) muss ebenfalls gemischt sein keine flavour-symmetrischen J = ½ Zustände (uuu), (ddd), (sss)

12 Baryonen Oktett

13

14 Baryonen Dekuplett

15 d) Schwere Quarks (Quarkonia) Die schweren Quarks c, b und t werden bei Prozessen _ der starken & elektromagnetischen Wechselwirkung stets in qq-paaren erzeugt Charm-Quark: - theoretisch postuliert 1970 (S. Glashow, J. Iliopoulos, L. Maiani) - experimenteller Nachweis 1974 (B. Richter, S. Ting) m(c) = 1.27 ± 0.1 GeV, q = +2/3, τ(c-mesonen) ~ s Bottom-Quark (beauty-quark) : - theoretisch postuliert 1973 (M. Kobayashi, T. Maskawa) - experimenteller Nachweis 1977 (L. Lederman) m(b) = GeV, q = -1/3, τ(b-mesonen) ~ s Nobelpreis 2008 Top-Quark: theoretisch postuliert 1973 (M. Kobayashi, T. Maskawa) - experimenteller Nachweis 1995 Tevatron (CDF, D0) m(t) = ± 1.3 GeV, q =+ 2/3, τ = s T. Maskawa M. Kobayashi

16 Entdeckung des Ψ _ Entdeckung einer langlebigen, schmalen Mesonenresonanz (cc-paar) 11/1974: erster Nachweis des J/Ψ (M = 3.1 GeV) am - SLAC: SPEAR e + -e - Speicherring (E = GeV) MARK I-Detektor: drahtbasierte _ Funkenkammer in Elektromagnet - Erzeugung eines gebundenen (cc)-systems über ein virtuelles Photon c _ c γ Burton Richter *1931 Nobelpreis 1976 e - e + Mark I Detektor am SPEAR Stanford Positron Electron Asymmetric Ring

17 Entdeckung des J BNL-AGS: hochenergetische 28 GeV Protonen treffen auf Be-Target Beobachtung Wq.- Maximum bei p + Be e - + e + + X Nachweis des J/Ψ Zerfalls: e - e + / µ - µ + / q q Paare Massenpeak bei M = 3.1 GeV Myonischer Zerfallskanal _ µ - µ + γ Sam Ting *1936 Nobelpreis 1976 c _ c

18 Charmonium: Zerfallskaskaden kurz nach J/Ψ-Entdeckung: viele weitere Resonanzen bei höheren Energien Beispiel: Ψ(2S) J/Ψ ( e + + e - ) + π + + π - J/Ψ-Zustand hat lange Lebensdauer & geringe Breite: Erklärung durch Verletzung der OZI Regel (Okubo-Zweig-Iizuka): Feynman-Diagramme mit nicht durchlaufenden Quarklinien sind unterdrückt π + e + e - π - Massen & Breiten von S = 1 Resonanzen Resonanz Masse [MeV] Breite Γ [MeV] J/Ψ (1S) Ψ (2S) Ψ (3770) Ψ (4040) Ψ (4160) radiale Anregungen n des S=1 (cc)-systems Zerfallssignatur eines ψ im MARK I Detektor _

19 Charmonium-Spektroskopie Charmonium-Termschema : Messung des inklusiven Gammaspektrums von Ψ Zerfällen (möglich da hadronische Zerfälle OZI- unterdrückt Zählrate E γ [MeV] E γ [MeV] 8 Crystal- Ball Detektor am SPEAR Ring NaJ Ψ (2 3 S 1 )-Zerfall E γ [MeV]

20 Charmonium-Spektroskopie Zählrate Charmonium-Termschema : Rekonstruktion über das Photonenspektrum (γ-kaskade) beim Zerfall des Ψ (2 3 S 1 ) E γ [MeV] E γ [MeV] E γ [MeV] 7 Untergrund S S S S P 2 3 P 1 3 P 0 Notation Mesonspektroskopie: s r n l r r J J = s + l n: radiale Anregung l: orbitale Anregung

21 Charmonium-Spektrum Charmonium-Termschema : Rekonstruktion über das γ-spektrum und weitere hadronische Zerfälle (Bsp: η C (1S) mit 0 -+ nicht durch e - e +!) Masse [GeV] _ DD-Schwelle L nichtrelativistische Bindungs- Zustände (cc): - schwere c-quark Masse - Relation Anregungsenergie M(Ψ) zur Ruheenergie M(J/Ψ) M ( Ψ ) M ( J / M ( J / Ψ ) Ψ ) Bindungspotenzial aus QCD: kleine Abstände: asymptotische Freiheit große Abstände: Störungstheorie versagt

22 Termschemata: Charmonium Positronium

23 Charmonium & QCD Potenzial

24 Charmonium -Zerfälle

25 Bottom Quarks - das Upsilon Entdeckung des Upsilons 1977: gebundener Zustand eines Bottom-Quarks & eines Bottom-Antiquarks im Fermilab-Experiment E288 bei E p = 400 GeV Upsilon-Meson & Anregungen Leon Lederman Nobelpreis 1988 (für Neutrinos ν µ ) Eigenschaften von ϒ Masse [MeV] ± 0.26 Lebensdauer τ [s] Resonanz Masse [MeV] Breite Γ [MeV] ϒ (1S) ϒ (2S) ϒ (3S) ϒ (4S) ϒ (10860) Orginalpublikation: Invariante Masse

26 Baryonen-Multipletts Baryonen-Multiplett mit J = 3/2 mit u, d, s, b - Quarks drei Bottom Quarks: noch nicht nachgewiesen zwei Bottom Quarks: noch nicht nachgewiesen nachgewiesen nachgewiesen ein Bottom Quark: noch nicht alle nachgewiesen kein Bottom Quark: alle nachgewiesen

27 Bottomonium Bottomonium-Spektroskopie (bb-system) _ erfolgt in sehr enger Analogie zur Charmonium-Spektroskopie (cc-system) -die kinematische _ Schwelle für den Zerfall in BB-Mesonen liegt zwischen _ der ϒ(3S) und ϒ(4S) Resonanz, 10.5 da M(BB-System) = MeV 4S-Resonanz kann daher an einem e- e + Beschleuniger benutzt werden, um Mesonen mit b-quarks zu erzeugen B-Fabrik (B-factory) - USA: SLAC - PEP-Speicherring (Positron-Electron-Project) - Japan: KEKB _ Masse [GeV]

28 B-Fabriken: B-Physik Aktuell: sehr intensive Untersuchungen zur b-quark-physik (B-Fabriken), speziell zur Analyse der CP-Verletzung im B-System - CMS-Energie des e + e - Strahls bei E = GeV d.h. bei der Energie der _ ϒ(4S) Resonanz 4S B + B -, 4S B 0 B 0 (Belle, BaBar)

29 Top Quarks p _ Top-Quark-Physik _ Top/Anti-Top Paare (t t): erste Beobachtung am Tevatron (1994) in den beiden Experimenten CDF, DØ über hadronische Erzeugung Jet Antiprotonen t Myon Protonen p Top Paar Eigenschaften des top-quarks Masse [GeV] ± 1.3 Lebensdauer τ [s] Zerfall (schwache Ww.) t b + W + Myonneutrino Elektronneutrino Elektron Jet

30 Top Quarks Top-Quark die extrem kurze top-lebensdauer (τ ~10-25 s) ermöglicht keine Bildung hadronischer Bindungszustände (Toponium), da die Hadronisation eines einzelnen Quarks erst nach τ hadr ~ s einsetzt Einzelne Top-Quark (2009) Erzeugung einzelner Tops über schwache Wechselwirkung CDF