Quarkonia: Charmonium und Bottonium

Transkript

1 Krn und Tilhn Modrn Exprintalphyik III Vorlung 1 MICHAEL FEINDT & THOMA KUHR INTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYIK Quarkonia: Charoniu und Bottoniu KIT Univrität d Land Badn-Württbrg und national Forhungzntru in dr Hlholtz-Ginhaft

2 wa bihr ghah bihr: Analy: Ato Krn Nuklonn kin ubtrukturn.., tark und hwah W.W. tandardodll Quark Lptonn i Folgndn: Quarkoniu Monn Baryonn Krn ynth: tignd Koplxität Aufbau koplxr trukturn (gbundnr Zutänd) au lntarn Tilhn ~ analog Bhandlung von H-Aton Poitroniu Charoniu p - tabil + - tabil intabil

3 Wartoffato H Ato: hrödingr-gl: r ( r ) - tatih Coulob-Potntial - nihtrlativitih hrödingr-glihung E ( r ) Hauptuantnzahl n N l 1 (N+1 = n r = Radialuantnzahl) # Knotn in Radial-WF Enrginivau: Bahndrhipul E E n 1 n 1.6 V 5 Bohrhr Radiu r B f (Proton-Radiu ~ 1 f) Wllnfunktion ( r ) R ( r ) Y (, ) Radial-WF Nl l Winklabhängigkit dr WF

4 Wartoffato klin Korrkturn zu dn ntarttn Enrginivau Fintruktur : pin-bahn-ww 4, O (10 ) Hyprfintruktur : pin-pin-ww Notation: n l it j l und j p 7, f O (10 j i Pr oton ) l 0 1 p d 4 f yt bihr: Proton in Ruh, Elktron bwgt ih u ruhnd Proton br: Bwgung bidr Tilhn i hwrpunktyt glihr Foraliu, abr rtz Ma d Elktron durh rduzirt Ma : M M p p p 1 (praktih kin Untrhid, wil M p >> )

5 Poitroniu Ato au Poitron und Elktron, Proton durh Poitron rtzt. Potntial widr.. 1/r, abr jtzt habn bid Partnr glih Ma rduzirt Ma: pin pin WW größr E r B B klinr größr p 1 Zrfall in Photonn Abhätzung dr Lbndaur von pin-0 Poitroniu: (pin 0) (pin 1) r B Kopplung an Photonn ( Vrti) gibt korrkt Dinion Übrlappvolun r B präzi QED-Rhnungn tin gut it Exprintn übrin

6 Qull: Povh, Tilhn und Krn Vrglih von Enrginivauhata n l j n +1 L j it L J L (kin ytri zwihn p und ) ( + und - ind glih wihtig) wihtig: klin Korrktur: l r r j I r F j Bahndrhipul und pin dr Elktronn Krnpin wihtig: (und ytrih!) dann: L J Gatpin j -, j + pilt kin Roll!

7 Charoiu gbundn Zutänd Notation - in dr Atophyik: - in dr Tilhnphyik: n = n r + L n = n r = N + 1 (Hauptuantnzahl) (Radialuantnzahl) Erzugung von Zutändn in + - Annihilation durh virtull Photon: Radialuantnzahl: n r = 1 kin Knotn in radialr Wllnfkt. J/Ψ (097) (Ting, Rihtr 1974) it 1 1 Zutand von =(+1) it =1 L=0 J=

8 + - Annihilation n +1 L J n σ ( + - Hadronn) E = 600 MV - Zrfall u.a. übr J/Ψ π + π - - Photonih Zrfallkakadn wi in dr Atophyik - hrtihr Nidrnrgi γ Dtktor rfordrlih Qull: Povh, Tilhn und Krn

9 Di Novbrrvolution : J/Ψ Rihtr nannt di nu Ronanz Ψ (Ting J) Etwa pätr : Ψ () Ψ π + π - π π - - Ψ hint dr rihtig Na zu in Qull: Prkin, Introdution to High Enrgy Phyi

10 Charoiu-pktrokopi Crytal Ball Dtktor γ-pktru i Zrfall d Ψ( 1 ) Qull: Povh, Tilhn und Krn

11 Crytal Ball Dtktor

12 Crytal Ball Dtktor

13 Vrglih von Enrginivauhata x 10 9 ( tark Whlwirkung!! ) Zrfall in offnn Char öglih glih ytri, abr andr Potntial Qull: Povh, Tilhn und Krn

14 Vrglih von Enrginivauhata bb Zutänd wrdn brit Zutänd wrdn brit Qull: Povh, Tilhn und Krn

15 QCD Potntial klin Abtänd: ayptoti frdo wi..-potntial 1/r groß Abtänd: Confinnt ~ r Anatz V 4 ( r ) r k r kintih Tr f ( C ) k 1 GV f C GV ( r ) ( Q ( Q ) ) ( n f 1 ) ln ( Q ) Radin dr - und bb - yt: ~ zu Abtand dr Quark Qull: Povh, Tilhn und Krn

16 Farbagntih Whlwirkung klin Abtänd: 1 Gluon Autauh doinirt (wg. Potntialantil 1/r, analog zu 1 Photon Autauh) tark Aufpaltung dr Zutänd und führt zu großr pin pin Whlwirkung: Charoiu = 1000 x Poitroniu pin-pin- Potntial : V ( ) μ 0 ( x 0) 1 ( x ) Poitroniu Mon V ( ) 8 9 Vorfaktor andr wg. Farbladungn α tatt α agntih Mont Punktwhlwirkung ( x ) Farbagntih WW hängt von rlativr Eintllung dr Quarkpin ab pin ψ (0) Wahrhinlihkit, da ih und a glihn Ort aufhaltn = 0 für L = 1,, 0 für L =

17 Erwartungwrt von J/ψ η γ pin Flip M1 Übrgang 10 MV 1 0 Gatpin t... von Eignwrt gilt Forl bino. und wgn 1) ( : σ σ ) ( 1) ( 1) ( 4 für für

18 Quarkoniu Zrfäll und Btiung von α 4 Möglihkitn: 1. lktroagntih. Annihilation (tark u. Zwig-untrdrükt, odr..). tarkr Zrfall in lihtr Monn 4. hwahr Zrfall 1) lktroagntih 1 P J 1 C L=1 L=0 Ändrung d Anrgungzutand durh Photon Eiion Auwahlrgln au pin, Parität und Multipolntwiklung

19 Quarkoniu Zrfäll ) - Annihilation in Photon odr Gluon J/Ψ γ µ + µ - rlaubt für J PC = 1 -- Zutänd (1 Gluon niht rlaubt, wgn Farb-Erhaltung) (1 1 0 ) η g g Hadronn Zutänd it C = +1 könnn an Gluonn koppln J/Ψ Hadronn Zutänd it C = -1 bnötign indtn Gluonn! B ( J/Ψ ggg Hadronn ) 70% Hadronn B ( J/Ψ γ ) 0% Lptonn lktroagntihr und tarkr Zrfall ind hir a. glih groß, wil dr tark Zrfall Gluonn bnötigt und oit von dr Größnordnung (α ) it. Zwig-Untrdrükung, wnn Quark-Linin niht durhgängig ind

20 Quarkoniu Zrfäll ) Zrfall in offnn Char (übr dr DD hwll) u, d, D 0, D +, D brit u, d, MV D 0, D -, D MV MV Zwig-untrdrükt, tark Zrfäll (untr dr DD hwll) Ψ () J/Ψ (1) π π

21 Quarkoniu Zrfäll 4) hwahr Quark Zrfall klin Zrfallrat, hr ltnr Proz, wil tark odr.. Zrfäll ir wihtigr ind J/Ψ W - D

22 Quarkoniu Zrfäll: Btiung von α Vrhältni dr Zrfallratn in Photonn bzw. Hadronn rgibt in Mung dr tarkn Kopplungkontant α (und dn Running ) = Poitroniu Farbfaktor, Ladung, Ma dr Quark Bipil: yt: ( ( C C (1 (1 ( ) ( g ) ) ) 8 9 α α 1 g ) (1 Korr 4 Z.) 4 C C Hadronn ) (0) niht wirklih klin, a: C (1 Korr.) (0) α 0.5 (1 Korr.) bno ( J ( J / / g Hadr.) Lpt. ) okay Thori, und höhr Ordnungn bb yt: ( g Hadr.) ( gg Hadr. ) α ( GV) 0.5 laufn α (10 GV) 0.16 α = 0.16 tark Kopplung nit it Abtand ab!