Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 1

Transkript

1 Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 1

2 Die Entdeckung des Positrons Michele Piero Blago

3 Entdeckungsgeschichte Entwicklung Nebelkammer C.T.R. Wilson 1911 Entdeckung Kosmische Strahlung V.F. Hess Postulat positives Elektron P.A.M. Dirac Entdeckung Positron C.D. Anderson Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 3

4 Diracs Postulat

5 Diracs Postulat N exp Beobachtung Elektron Zustände Theorie N exp Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 5

6 Diracs Postulat Hamiltonian H für bel. em-feld mit Skalarpotential A 0 und Vektorpotential A H E c + e c A p + e c A 2 + m 2 c 2 (1) E = ih t (2) p r = ih x r, r = 1, 2, 3 (3) Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 6

7 Diracs Postulat Wellengleichung Hψ 0 (4) Lösung 1 [ E c + e c A p + e c A 2 + m 2 c 2 ] ψ = 0 (5) Lösung 2 [ E c + e c A p + e c A 2 + m 2 c 2 ] ψ = 0 (6a) Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 7

8 Diracs Postulat Wellengleichung Hψ 0 (4) Lösung 1 [ E c + e c A p + e c A 2 + m 2 c 2 ] ψ = 0 (5) Lösung 2 [ E c + e c A p + e c A 2 + m 2 c 2 ] ψ = 0 (6a) Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 8

9 Diracs Postulat Wellengleichung Fψ 0 (4) Lösung 1 [ E c + e c A p + e c A 2 + m 2 c 2 ] ψ = 0 (5) Lösung 2 [ E c + e c A p + e c A 2 + m 2 c 2 ] ψ = 0 (6b) Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 9

10 Das Experiment

11 Das Experiment Auftrag von R. A. Millikan Untersuchung der Kosmischen Strahlung Modifikation der Wilson Nebelkammer Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 11

12 Wilsonsche Nebelkammer A: Nebelkammer C: Unterdruckkammer D: Holzzylinder B: Ventil C.T.R. Wilson, Proc. R. Soc. Lond. A Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 12

13 Wilsonsche Nebelkammer A: Nebelkammer C: Unterdruckkammer D: Holzzylinder B: Ventil C.T.R. Wilson, Proc. R. Soc. Lond. A Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 13

14 Wilsonsche Nebelkammer A: Nebelkammer C: Unterdruckkammer D: Holzzylinder B: Ventil C.T.R. Wilson, Proc. R. Soc. Lond. A Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 14

15 Andersons Nebelkammer Kolben 12cm 3cm Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 15

16 Andersons Nebelkammer p Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 16

17 Andersons Nebelkammer p Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 17

18 Andersons Nebelkammer B 2.4 T Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 18

19 Andersons Nebelkammer Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 19

20 Andersons Nebelkammer Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 20

21 Andersons Nebelkammer p Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 21

22 Andersons Nebelkammer p Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 22

23 Andersons Nebelkammer p p Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 23

24 Andersons Nebelkammer p Bleiplatte p Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 24

25 Andersons Nebelkammer p Bleiplatte p Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 25

26 Andersons Nebelkammer Flugrichtung Ionisationsstärke Teilchenenergie Bleiplatte Tröpfchendichte Bahnradius Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 26

27 Teilchenenergie durch Bahnradius F L = F ZP (7) E = γ 1 mc 2 (8) E r = mc 2 1 qbr mc (9) Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 27

28 Entdeckung und Hypothesen

29 Entdeckung und Hypothesen Abgelenktes Teilchen Bleiplatte Ref. [1], Fig Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 29

30 Entdeckung und Hypothesen 1. e - Zwei unabhängige e -? Statistisch unwahrscheinlich 2. e Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 30

31 Entdeckung und Hypothesen 1. e - Ein einziges e -? Physikalisch unsinnig 1. e Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 31

32 Entdeckung und Hypothesen Ein niederenergetisches p Proton? Wie hoch ist Energieverlust? Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 32

33 Entdeckung und Hypothesen Ein niederenergetisches p Proton? Energie Proton vor Bleiplatte: 0.3MeV (Ionisationströpfchen) Energieverlust beschrieben durch Bethe-Bloch Gleichung Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 33

34 Ionisationsverlust in Materie Bethe-Bloch Gleichung de dx = 4πnz2 m e c 2 β 2 e 2 4πε 0 2 ln 2m e c 2 β 2 I 1 β 2 β 2 ] (7) x = Weglänge z = Ladungszahl n = Z ρ A u = Elektronendichte I = mittleres Anregungspotential Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 34

35 6,6MeV g cm 2 W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. G33, 1 (2006), Fig Proton momentum (MeV/c) Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 35

36 Energieverlust Proton in Blei E in = 0.3MeV 1 ρ de dx = 6,6MeV g cm 2, ρ Blei = 11,342 g cm 3 Energieverlust ΔE Bleiplatte = 0.97MeV Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 36

37 Entdeckung und Hypothesen Ein niederenergetisches p Proton? Proton würde in Platte absorbiert werden Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 37

38 Entdeckung und Hypothesen Ein niederenergetisches Proton? 55mm Proton würde in Platte absorbiert werden Proton hätte auch in Luft nur eine Reichweite von 5 mm Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 38

39 Entdeckung und Hypothesen Ein neues positiv geladenes? Teilchen! Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 39

40 Eigenschaften des neuen Teilchens

41 Eigenschaften des neuen Teilchens Wie viel Energie verliert r OUT Teilchen in Blei? Energie durch Bahnradius Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 41

42 Eigenschaften des neuen Teilchens Wie viel Energie verliert Teilchen in Blei? r IN Energie durch Bahnradius Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 42

43 Eigenschaften des neuen Teilchens E(r OUT ) 23MeV E(r IN ) 63MeV Wie viel Energie verliert Teilchen in Blei? Energie durch Bahnradius Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 43

44 Eigenschaften des neuen Teilchens e Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 44

45 Eigenschaften des neuen Teilchens Wie viel Energie verliert? Teilchen in Blei? Energiedifferenz zu e - vernachlässigbar für E > 60MeV Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 45

46 Eigenschaften des neuen Teilchens Annahme: Teilchenmasse Elektronenmasse Energieverlust nach Bethe-Bloch 38MeV Stimmt überein mit Tröpfchenbestimmung der Energien Energieverlust Elektronen (E IN = MeV) in Bleiplatte 35MeV Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 46

47 Eigenschaften des neuen Teilchens de dx e+ 4 de dx e (8) de dx z2 (9) 2e Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 47

48 Eigenschaften des neuen Teilchens Vergleich mit Elektronenspuren e - m e + 20 m e e - Weiter Messungen für genauere Massebestimmung Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 48

49 Eigenschaften des neuen Teilchens Ladung: 2e Masse: m e + 20 m e 15 aus 1300 Aufnahmen bestätigen diese Eigenschaften Übereinstimmung mit Diracs Postulat Neues Teilchen ist Positron Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 49

50 Kritische Anmerkung

51 Kritische Anmerkung Massen- und Ladungsabschätzung berücksichtigen nur Ionisationsverluste Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 51

52 W.-M. Yao et al. (Particle Data Group), J. Phys. G33, 1 (2006), Fig Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 52

53 Kritische Anmerkung Massen- und Ladungsabschätzung berücksichtigen nur Ionisationsverluste Hauptsächliche Ursache ist Bremsstrahlung de dx Bremsstrahlung = E X 0 (10) X 0 = Strahlungslänge Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 53

54 Nobelpreis 1936 Victor Franz Hess Carl David Anderson for his discovery of cosmic radiation for his discovery of the positron Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 54

55 Standardmodell Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 55

56 Referenzen 1. C.D. Anderson: The Positive Electron. In: Physical Review, Vol. 43 (Mar. 15, 1933) 2. P.A.M. Dirac: The Quantum Theory of the Electron. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. A, Nr. 778, 1928, S B.M. Cwilong: Sublimation in a Wilson Chamber. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol. 190, No (Jun. 17, 1947), pp E. Fermi: On the Origin of the Cosmic Radiation. In: Physical Review, Vol. 75, No. 8 (Apr. 15, 1949) 5. R.A. Mewaldt, "Cosmic Rays". California Institute of Technology. 6. C.D. Anderson, The production and properties of positrons, Nobel Lecture, C.T.R. Wilson: On an Expansion Apparatus for Making Visible the Tracks of Ionising Particles in Gases and Some Results Obtained by Its Use. In: Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character. A, Nr. 87, R.L. William: Techniques for nuclear and particle physics experiments, Springer, C. Augustin: Charakterisierung von HV-Maps, Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 56

57 Michele Blago - Schlüsselexperimente der Teilchenphysik 57