Kern- und Teilchenphysik

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1 Kern- und Teilchenphysik Johannes Blümer SS22 Vorlesung-Website KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA KIT Universität KT22 des Landes Johannes Baden-Württemberg Blümer und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft IKP in KCETA

2 v23 2. Juli 22 Standardmodell; Dunkle Materie Von W- und Z-Bosonen zum Standardmodell Theoretisch akzeptiertes Konzept, experimentelle Suche! Entdeckung Eigenschaften Kopplungen: W ± ok, aber Z anders? Elektroschwache WW! vom SPS zum LHC, von W ±, Z zum Higgs Parameter des Standardmodells Divergenzen, Eichsymmetrie, Higgs-Feld... Higgs-Prozesse Dunkle Materie Erinnerung an v22 heute 2 KT22 Johannes Blümer IKP in KCETA

3 3 Elektro-Schwache WW Tabelle.. Multipletts der elektroschwachen Wechselwirkung. Die Quarks d, s und b gehen durch verallgemeinerte Cabibbo-Rotation (CKM-Matrix) aus den Masse-Eigenzuständen hervor. Dupletts des schwachen Isospins T sind durch Klammern zusammengefasst. Die elektrische Ladung der beiden Zustände in jedem Duplett unterscheidet sich jeweils um eine Einheit. Das Vorzeichen der dritten Komponente T 3 ist so definiert, dass die Differenz z f T 3 innerhalb eines Dupletts konstant ist. Fermionmultipletts T T 3 z f Leptonen Quarks νe e «L νµ µ «L ντ τ «L /2 +/2 /2 e R µ R τ R u d «L c s «L t b «L /2 +/2 /2 +2/3 /3 u R c R t R +2/3 d R s R b R /3

4 4 Photon und Z als gedrehte Zustände Darstellung als Drehung um W im schwachen Isospinraum: Z cos W sin W sin cos W W B W Weinbergwinkel W : - misst die Stärke der elektromagnet. relativ zur schwachen Wechselwirkung Z cos W sin W W W cos W W sin W B e = g sin W cos( W )=M W /M Z - experimenteller Wert aus der -e Streuung, der elektroschwachen Interferenz bei e + e - Streuung, Z - Breite sin 2 W =.2325 ±.8

5 5 Standardmodell Fermionen Leptonen Quarks Familie elektr. schwacher Isospin Farbe 2 3 Ladung linkshdg. rechtshdg. ν e ν µ ν τ /2 e µ τ u c t +2/3 r, b, g /2 d s b /3 Spin /2 /2 Wechselwirkung koppelt an Austausch Masse Teilchen (GeV/c 2 ) J P stark Farbe 8Gluonen(g) elektromagn. elektrische Ladung Photon (γ) schwach schwache Ladung W ±,Z 2

6 Masse [MeV/c 2 ] 3 2 e W Ladung Masse [MeV/c 2 ] 3 2 e W Ladung - - m e m > MeV/c 2 m 2 3 (e e ) ( ) ( ) (e ) ( 2 ) ( 3 ) Abbildung 2.. Durch geladene Ströme vermittelte Übergänge zwischen den leptonischen Zuständen. Links zwischen den leptonischen Eigenzuständen der schwachen Wechselwirkung, rechts zwischen den leptonischen Eigenzuständen des Massenoperators. 6

7 7 Masse [MeV/c 2 ] M W w + c t b' +2/3 /3 +2/3 Ladung Masse [MeV/c 2 ] M W w + c t b +2/3 /3 +2/3 Ladung 2 w s' /3 2 w s /3 u d' /3 +2/3 u d /3 +2/3 (ud') (cs') (tb') (ud) (cs) (tb) Abbildung 2.2. Durch geladene Ströme vermittelte Übergänge zwischen den Quarkzuständen. Links die Quarkeigenzustände der schwachen Wechselwirkung, rechts des Massenoperators. Die Dicke der Pfeile gibt die relative Stärke der Übergänge an. Die Masse des t-quarks ist so groß, dass der Zerfall durch die Emission des realen W + -Bosons stattfindet.

8 8 Parameter des Standardmodells Kopplungskonstanten Boson Massen Lepton Massen Quark Massen Parameter der CKM Matrix QCD Parameter L, B separat erhalten ν L, ν R, m ν = e, g, sin θ W m W, m Higgs m e, m µ, m τ ; m ν = nicht mehr m u, m d, m c, m s, m t, m b 3 Winkel θ i, Phase δ Λ QCD (>) 22 Parameter...das ist bereits sicher nicht der Fall... V-A Kopplung q(e + ) = q(p) obwohl Lepton- und Quarksektor völlig getrennt sind Eichsymmetrie: SU(3) x SU(2) x U() stark schwach e.m. (8 Gluonen) W ±, W B..., die exp. bestimmt werden müssen. Kann das fundamental sein? Divergenzen, Eichsymmetrie, Higgs-Feld...

9 9 Higgs-Prozesse Very) Very) \ circle of minimum V(7]) (a) p,2 > Figure 9.4 The potential energy density V(ry), as given by Equation (9.39), for A > O. f V ( ) =µ 2 (~r, t) 2 + (~r, t) 4 H O Figure 9.5 The basic vertices for Higgs boson-fermion interactions. The fermion f can be any quark, charged lepton or neutrino. f

10 Std.-Higgs-Erzeugung 25

11 Higgs-Breite ΓZ mh > 2 mw mh > 2 mz

12 2 Higgs-Zerfälle OJ) '" - 3 :.a <.) e!xl M H CGeV/c 2 )

13 Dunkle Materie Hinweise auf Dunkle Materie Rotationskurven Gravitationslinsen (Kosmologie) (Suche nach Annihilationssignalen) Suche nach Streuprozessen Bolometer Flüssiggas-Detektoren DAMA Ausschlusskurven 3 KT22 Johannes Blümer IKP in KCETA

14 4 Gravitationsbindung im Coma-Haufen? Fritz Zwicky ( ) Helv. Phys. Acta 6-27 (933) Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln Virialsatz: T = U/2 9% der Coma- Masse ist nicht sichtbar...??? Should this turn out to be true, the surprising result would follow that dark matter is present in a much higher density than radiating matter

15 Rotationskurven v [km/s] Beobachtung Scheibe R [kpc] M33 Rotationskurve Rotation von M33: Dopplereffekt bei =2 cm, Radio: VLA & WRST g e v r NGC 635 dunkler Halo Scheibe Kepler Gas Masse [ 9 Sonnenmassen] 5 5 dunkle Materie Baryonen 2 3 Radius [ Lichtjahre] 5