Teilchenphysik Eine Erfolgsstory

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1 Teilchenphysik Eine Erfolgsstory Thomas Mannel Institut für Theoretische Teilchenphysik Universität Karlsruhe Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.1/32

2 Inhalt Der Anfang: Radioaktivität und -Zerfälle Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

3 Inhalt Der Anfang: Radioaktivität und -Zerfälle Die Rettung der Energieerhaltung: Das Neutrino Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

4 Inhalt Der Anfang: Radioaktivität und -Zerfälle Die Rettung der Energieerhaltung: Das Neutrino Erste Theorien: Die Fermi Wechslewirkung Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

5 Inhalt Der Anfang: Radioaktivität und -Zerfälle Die Rettung der Energieerhaltung: Das Neutrino Erste Theorien: Die Fermi Wechslewirkung Das - Rätsel: Paritätsverletzung Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

6 Inhalt Der Anfang: Radioaktivität und -Zerfälle Die Rettung der Energieerhaltung: Das Neutrino Erste Theorien: Die Fermi Wechslewirkung Das - Rätsel: Paritätsverletzung Universalität der schwachen Wechselwirkung Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

7 Inhalt Der Anfang: Radioaktivität und -Zerfälle Die Rettung der Energieerhaltung: Das Neutrino Erste Theorien: Die Fermi Wechslewirkung Das - Rätsel: Paritätsverletzung Universalität der schwachen Wechselwirkung Seltsame Teilchen: Kaonen und -Baryonen Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

8 Inhalt Der Anfang: Radioaktivität und -Zerfälle Die Rettung der Energieerhaltung: Das Neutrino Erste Theorien: Die Fermi Wechslewirkung Das - Rätsel: Paritätsverletzung Universalität der schwachen Wechselwirkung Seltsame Teilchen: Kaonen und -Baryonen Flavour und neutrale Ströme Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

9 Inhalt Der Anfang: Radioaktivität und -Zerfälle Die Rettung der Energieerhaltung: Das Neutrino Erste Theorien: Die Fermi Wechslewirkung Das - Rätsel: Paritätsverletzung Universalität der schwachen Wechselwirkung Seltsame Teilchen: Kaonen und -Baryonen Flavour und neutrale Ströme Charm und die Novemberrevolution 19 Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

10 Inhalt Der Anfang: Radioaktivität und -Zerfälle Die Rettung der Energieerhaltung: Das Neutrino Erste Theorien: Die Fermi Wechslewirkung Das - Rätsel: Paritätsverletzung Universalität der schwachen Wechselwirkung Seltsame Teilchen: Kaonen und -Baryonen Flavour und neutrale Ströme Charm und die Novemberrevolution 19 Weitere Schritte: Verhalten bei hohen Energien Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

11 Inhalt Der Anfang: Radioaktivität und -Zerfälle Die Rettung der Energieerhaltung: Das Neutrino Erste Theorien: Die Fermi Wechslewirkung Das - Rätsel: Paritätsverletzung Universalität der schwachen Wechselwirkung Seltsame Teilchen: Kaonen und -Baryonen Flavour und neutrale Ströme Charm und die Novemberrevolution 19 Weitere Schritte: Verhalten bei hohen Energien Das Ende der Erfolgsstory? Das Standardmodell Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

12 Radioaktivität und -Zerfälle Beginn der modern Teilchenphysik: -Zerfälle schwerer Kerne (Becquerel und Rutherford, 1896) (Ellis und Wooster, 192) Mittlere Elektron Energie: Massendifferenz der Kerne: Nimmt man an, dass kev kev Widerspruch zur Energieerhaltung! Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.3/32

13 Rettung der Energieerhaltung Annahme: Es gibt ein weiteres (praktisch unbeobachtbares) Teilchen, was die fehlende Energie (und auch Impuls) trägt) Brief von Pauli Fast so ungeheuerlich wie die Aufgabe der Energieerhaltung Neutrino wurde erst 1953 in am CERN gefunden (Reines und Mitarbeiter 1953) Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p./32

14 '& & $ '& # & # $ # " # # - (. Erste theoretische Ansätze In Anlehnung an die Elektrodynamik: Strom-Strom Kopplung Für den -Zerfall des Neutrons (Fermi, 1933)! Vergleich mit den damaligen Daten: Neutrinomasse klein gegen Elektronmasse Der Wert der Fermi-Kopplung ist,+ *) Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.5/32

15 & $ '& & # $ / " # / # # / 0# / / / Theoretische Ansätze ff. Präzisere Daten aus -Zerfällen von Kernen: Inkonsistenzen mit den Daten Verallgemeinerung der Fermi-Wechselwirkung: &'1! wobei Separate Erhaltung der C, P and T Symmetrien Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.6/32

16 Universalität I Schwachen Wechselwirkung (c.a. 195): -Zerfall des Neutrons: Zerfall des Pions: Zerfall des Müons: ähnliche Lebensdauern Kopplungsstärken ähnliche UNIVERSALITÄT der schwachen Wechselwirkung? (Puppi, 198) Neutrino(s) Neutrino(s) Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p./32

17 3 2 2 / / 3 / / - - Universalität I ff. In den 50 er Jahren: Detallierte Daten aus der Kernhysik Inkonsistent mit der verallgemeinerten Fermi-Wechselwirkung: Kernphysik: und Müon Zerfall: Universalität?? Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.8/32

18 5 Das - Rätsel Etwa zur selben Zeit ( 1950): Entdeckung seltsamer Teilchen: Mehr als dreimal so schwer wie Zerfälle in zwei oder drei s Untypisch lange Lebensdauer - Rätsel: Zwei Teilchen ( und ) mit identischer Masse, deren Hauptzerfälle sind! und müssen unterschiedliche Parität haben Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.9/32

19 Was ist Parität? Parität Raumspiegelung: 6 # 6 # Pion: Teilchen mit intrinsischer Parität: Parität der relevanten Pion-Zustände: Parität sollte erhalten sein: Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.10/32

20 Paritätsverletzung!! Lösung des - Rätsels: und sind identisch! (heute nennt man das Teilchen Konsequenz: Die Parität ist verletzt! (Lee und Yang, 1956) Pauli: Der liebe Gott ist doch kein schwacher Linkshänder Experimenteller Nachweis: Wu und Garwin, 195 ) Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.11/32

21 0 9 '& & # $ # " # - 0 : '& & & $ # - # : Paritätsverletzung ff. Theoretische Beschreibung wurde dann auch konsistent: Linkshändige Ströme Modifizierte Fermi Wchselwirkung: (z.b. Neutron Zefall:) 8! Aus heutiger Sicht: Proton und Neutron sind nicht elementar Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.12/32

22 Seltsame Teilchen: s und s Erklärung der untypisch langen Lebensdauern: Die seltsamen Teilchen zerfallen schwach! Einführen einer neuen Quantenzahl: Strangeness ; erhalten in der starken Wechselwirkung in der schwachen Wechselwirkung Für Kaonen: : Erste Quantenzahl von Flavour Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.13/32

23 -Zerfälle: Universalität? Uinversalität der schwachen Wechselwirkung: Kopplungsstärken von und sollten gleich sein! Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.1/32

24 -Zerfälle: Universalität? Uinversalität der schwachen Wechselwirkung: Kopplungsstärken von und sollten gleich sein! Dies ist falsch: Zerfälle sind um einen Faktor 20 unterdrückt gegen die Zerfälle! Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.1/32

25 -Zerfälle: Universalität? Uinversalität der schwachen Wechselwirkung: Kopplungsstärken von und sollten gleich sein! Dies ist falsch: Zerfälle sind um einen Faktor 20 unterdrückt gegen die Zerfälle! Universalität? Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.1/32

26 > > C C B '& # & - & $ & " # # # ( C Wiederauferstehung der Universalität Cabibbo 1963: Re-interpretation der Universalität: Einführen eines Drehwinkels hadronischen Strom: ;=< für den ; <?A@ ED?A@ ; < und 8! Unterdrückung wird durch erklärt. ; < D 8 8 *) Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.15/32

27 & G - & G Flavour und neutrale Ströme Schwache Wechselwirkung: Geladene Stöme: F Phänomenologisches Faktum: Neutrale Ströme sind stark unterdrückt! Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.16/32

28 " I H 1 1 & " " & " H H H & H H " I H 1 1 ' " $ & C I C B - Bausteine der Hadronen: Quarks Hadronen sind nicht elementar: Fundamentale Bausteine sind die Quarks I & " Schwache Wechselwirkung: Übergänge zwischen den Flavours ED H Cabibbo Drehung der down Quarks Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.1/32

29 H J " Q $ P O C I C B C B Q " I Q I C B J Quarks und neutrale Ströme Allgemeinste Form des neutralen Stromes: H N!LKM ' ; < D ; < ; < I C D ; < " (mit geeigneten Enthält einen Beitrag und ) " ; < N!LKM D C ; < Steht im Widerspruch zur Unterdrückung der neutralen Ströme Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.18/32

30 $ C B I ' " $ & C I C B - $ & C B I - Charm: November 19 Problem hat eine überraschende Lösung: Es muss ein weiteres Quark geben: Charm (Glashow, Iliolpoulos, Maiani (GIM), 190) Gleiche Ladung wie das up-quark, Koppelt an die orthogonale Kombination ' ; < D " C ; < also D H ' ; < ED " C ; < R Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.19/32

31 ` ] m h _ g g m h a b _ g g fdi n i ` ] s Charm: November 19 ff. Der neutrale Strom wird \^` _ \^] [ Z VXWY UTS ph jlk g i _ h bedf no jlk \^i g _ h \cbedf a ph h q g no jlk jlk \ b hrq g \^idf \^i _ b n \ b _ \ ` _ \ ] [ Beitrag mehr! Neutraler Strom: keinen Keine Flavour Changing Neutral Currents mehr. GIM Mechanismus GeV. ) 5 Theoretische Vorhersage (Gailard und Lee, Sommer 19) Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.20/32

32 Novemberrevolution 19 Noveber 19: Endeckung schmaler Resonanzen in - Streeung und in fixed-target Experimenten. Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.21/32

33 Widerauferstehung von ist in der schwachen Wechselwirkung verletzt. : Vertauschung von Teilchen und Antiteilchen Die schwache Wechselwirkung erhält die Kombination aus und : Raumspiegelung und Vertauschung von Teilchen Invarianz Antiteilchen Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.22/32

34 Auch ist verletzt! System der neutralen Kaonen: I " & " I & Verhalten unter CP: CP Eigenzustände: Überlagerungen t 8 $ ' t t N 8 $ ' N N Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.23/32

35 N N Verletzung Wegen ist Entdeckung (Cronin und FItch, 196) muss ebenfalls verletzt sein Erster Hinweis auf die dritte Familie von Quarks und Leptonen Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

36 & 2 5 Verhalten bei hohen Energien Problem mit der Fermi-Wechselwirkung: Punktförmige Wechselwirkung Wirkungsquerschnitte wachsen über alle Grenzen: Verletzung der Wahrscheinlichkeitserhaltung! Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.25/32

37 Intermediäre Vektorbosonen Auseinanderziehen der Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung: Austausch (schwerer) Teilchen Verbessert das Verhalten bei grossen Energien Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.26/32

38 v u 5 Das Ende der Erfolgsstory? : Formulierung des Standardmodells der Teilchenphysik Wechselwirkungen Austausch von Teilchen Fundamentale Bausteine: Quarks und Leptonen Wechselwirkungen werden duch SYMMETRIEN bestimmt Universalität der schwachen Wechselwirkung Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.2/32

39 w } ~ ƒ Quarks, Leptonen, Wechselwirkungen, xzy : Leptonen, : Quarks, xz{ : Leptonen, : Quarks, x : Leptonen, : Quarks : Starke Wechselwirkung, : schwache Wechselwirkung : el.mag. Wechselwirkung Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.28/32

40 Tests des Standardmodells Die schweren und Bosonen wurden 1982 am CERN gefunden. Die dritte Familie wurde gefunden: Das bottom Quark (195 in Chicago) Das Lepton (195 in Stanford) Das top Quark (199 in Chicago) 1989 bis 2000: Detaillierte Tests des Standardmodells am CERN: Das Standardmodell ist auf Promille korrekt Vorhersage der Top-Quark Masse aus Präzisionsdaten. Seit 2000: Test der Vorhersagen im Bereich Flavour / CP Verletzung Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.29/32

41 Viele offene Fragen Wie kommen die Massen der Teilchen zustande und warum haben sie die beobachteten Werte? (Higgs-Teilchen?) Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.30/32

42 Viele offene Fragen Wie kommen die Massen der Teilchen zustande und warum haben sie die beobachteten Werte? (Higgs-Teilchen?) Warum haben die Kopplungen die beobachteten Werte? Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.30/32

43 Viele offene Fragen Wie kommen die Massen der Teilchen zustande und warum haben sie die beobachteten Werte? (Higgs-Teilchen?) Warum haben die Kopplungen die beobachteten Werte? Warum gibt es drei Familien? Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.30/32

44 Viele offene Fragen Wie kommen die Massen der Teilchen zustande und warum haben sie die beobachteten Werte? (Higgs-Teilchen?) Warum haben die Kopplungen die beobachteten Werte? Warum gibt es drei Familien? Wie kommt die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie zustande (CP Verletzung)? Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.30/32

45 Viele offene Fragen Wie kommen die Massen der Teilchen zustande und warum haben sie die beobachteten Werte? (Higgs-Teilchen?) Warum haben die Kopplungen die beobachteten Werte? Warum gibt es drei Familien? Wie kommt die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie zustande (CP Verletzung)? Wie fügt sich die Gravitation in das Bild ein? Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.30/32

46 Viele offene Fragen Wie kommen die Massen der Teilchen zustande und warum haben sie die beobachteten Werte? (Higgs-Teilchen?) Warum haben die Kopplungen die beobachteten Werte? Warum gibt es drei Familien? Wie kommt die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie zustande (CP Verletzung)? Wie fügt sich die Gravitation in das Bild ein? Das Happy End der Erfolgsstory steht noch aus! Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.30/32

47 Sehr geehrte radioaktive Damen und Herren, Wie der Ueberbringer dieser Zeilen, den ich huldvollst anzuhoeren bitte, Ihnen des naeheren auseinandersetzen wird, bin ich angesichts... des kontinuierlichen beta-spektrums auf einen verzweifelten Ausweg verfallen, um... den Energiesatz zu retten. Naemlich die Moeglichkeit, es koennte elektrisch neutrale Teilchen, die ich Neutronen nennen will, in den Kernen existieren... Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.31/32

48 Ich traue mich volaeufig nicht, etwas ueber diese Idee zu publizieren, und wende mich erst vertrauensvoll an Euch, liebe Radioaktive, mit der Frage, wie es um den experimentelen Nachweis eines solchen Neutrons stuende, wenn diese ein ebensolches oder 10 mal groesserers Durchdringungsvermoegen haetten wie ein gamma-strahl.... Oh, daran soll man am besten gar nicht denken, so wie an die neuen Steuern... Leider kann ich nicht persoenlich in Tuebingen erscheinen, da ich infolge eines in der Nacht Teilchenphysik Eine Erfolgsstory p.32/32