Die Entdeckung des Gluons VORTRAG

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1 Die Entdeckung des Gluons VORTRAG FAKULTÄT FÜR PHYSIK UND ASTRONOMIE Lehrstuhl für Experimentalphysik I Referent: Andreas Nitsch

2 Gliederung 1. Was sind Gluonen? 2. Erkenntnisse Anfang der 1970 er Jahre 3. Jet-Ereignisse in e+e- Annihilation 4. Experimenteller Nachweis des Gluons 5. Zusammenfassung 6. Ausblick 2

3 1. Was sind Gluonen? Gluon g (engl. glue = Klebstoff) Austauschteilchen der starken Wechselwirkung Ladung der QCD: Farbe + Antifarbe Die Kombination der Farbladungen gibt die Art des Gluons vor 3

4 Was sind Gluonen? 8 verschiedene Gluonen, die zwischen Quarks ausgetauscht werden masselos, Spin 1 Gluonen tragen ebenfalls die Ladung der Farbe und koppeln auch untereinander (Gegensatz QED: Photon elektrisch neutral) Träger von Farbladungen kommen nur in gebundenen, farbneutralen Zuständen vor 4

5 2. Erkenntnisse Anfang der 1970 er Jahre Nur das Photon als Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung bekannt (QED) Experimente (Inelastische Streuung) am CERN bestätigen, dass nur ca. 50% des Nukleonen- Impulses den Quarks zugeschrieben werden kann 5

6 Erkenntnisse Anfang der 1970 er Jahre Punktförmige Annahme des Hadrons kann nicht richtig sein Theoretisches Verhältnis von R* (R=2/3) stimmt mit experimentellen Messdaten (R=1-3) nicht überein weitere Teilchen involviert? (punktförmig) (Farbladung) *Verhältnis R Wirkungsquerschnitt der Hadronen, normiert auf denen der Myonen als Funktion von s 6

7 3. Jet-Ereignisse in e+e-annihilation Was sind Jets? Auslöschung von Positron und Elektron in Hadronen führt über ein Photon oder Z-Boson zu einem Quark-Antiquark-Paar, das in zwei Hadronenstrahlen zerfällt 7

8 Jet-Ereignisse in e+e-annihilation Genauere Betrachtung: Erzeugung von Quark-Antiquark-Paaren mittels e+e-annihilation Primäre Quarks fliegen mit hohem Impuls in entgegengesetzte Richtungen 8

9 Jet-Ereignisse in e+e-annihilation Bei hoher Energie entstehen bei Auseinanderziehen der Quark-Antiquark-Paare aus dem Nichts ein neues Quark-Antiquark-Paar, welches die neuen Enden des Kraftfeldes bilden (Confinement: keine freien Quarks) 9

10 Jet-Ereignisse in e+e-annihilation Das Quark entsendet dabei ein soft Gluon Das Gluon wiederum lässt Quark-Antiquark- Paare entstehen, die neue Gluonen aussenden Bei diesem Prozess entstehen aus den Quarks und Antiquarks auch farblose Hadronen (Hadronisierung) 10

11 Jet-Ereignisse in e+e-annihilation Hadronen fliegen in nahezu gleiche Richtung wie Quarks Je höher die Kollisionsenergie, desto genauer die Auflösung der Jets! 11

12 Jet-Ereignisse in e+e-annihilation Hadronen besitzen einen Impuls von 0,5 1 GeV Der Impuls der entstehenden Hadronen ist etwas kleiner als der des Gluons, welches sie geformt hat s=30gev kleiner Öffnungswinkel s<10gev großer Öffnungswinkel (unscharf) Quarks können nicht beobachtet werden, nur indirekt über Energie, Impuls der Hadronen 12

13 Jet-Ereignisse in e+e-annihilation 13

14 4. Experimenteller Nachweis des Gluons Sehr selten entsenden Quarks harte Gluonen (mit großem Impuls), die ähnlich wie die Quarks zum Hadronisieren anregen und in einem eigenen dritten Jet sichtbar werden Selten bedeutet: s=30-100gev in 10% aller Fälle tritt ein 3-Jet auf ABER: Direkter Nachweis für Gluonen!!! 14

15 Experimenteller Nachweis 15

16 Experimenteller Nachweis DESY (Deutsches Elektron-Synchrotron) in Hamburg 4 Wechselwirkungspunkte am Petraring des DESY 16

17 PETRA Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage (Positron-Elektron Speicherring) 1978 fertiggestellt, 2 Jahre eher als PEP in Stanford, erste Jetereignisse 13-17GeV Länge: 2304m GeV zur Untersuchung von Hadronenzerfällen Bis 1986 experimentiert, danach PETRA III als Vorbeschleuniger von HERA - 17

18 PETRA Ringförmig (8 geraden Strecken, 8 Kreissegmente) Speicherung zweier entgegen gerichtete Teilchenstrahlen Magnete halten die Teilchen auf ihrer Bahn Hohes Vakuum im Inneren (10-9 mbar) Kollision in einem Detektor 4 Detektoren liefern Nachweis: TASSO, JADE, PLUTO (später CELLO), MARK J 18

19 TASSO Two Arm Spectrometer Solenoid 19

20 TASSO Two Arm Spectrometer Solenoid 20

21 TASSO 4π-Detektor: eingebettet in Solenoidspule Nachweis für geladene Teilchen in Vertexdetektor und Driftkammern 15 Drahtlagen, 2340 Driftzellen, Ethan-Argon-Gemisch 3-dim. Spurrekonstruktion durch Anordnung der Drähte aus Krümmung dieser Spur im Magnetfeld, lässt sich der Impuls bestimmen Myonen durchdringen den Detektor und werden im äußeren Szintillator nachgewiesen 21

22 Dreijet-Ereignisse: Gluonennachweis 22

23 Dreijet-Ereignisse: Gluonennachweis s=30gev 23

24 Dreijet-Ereignisse: Gluonennachweis Dazu teilt man jedem der drei Jets seine eigene Energie zu niederenergetischer Jet ist Gluonenjet Die Winkel zwischen Jet1 und Jet2 sowie Jet3 werden berechnet Bewegungsrichtung des Gluonenjets gegenüber dem Schwerpunktsystem der Jets 1+2 Hinweise auf den Gluonenspin: Scalar: Spin0 Parität 1 Vector: Spin 1 Parität-1 24

25 5. Zusammenfassung Gluonen, die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung, lassen sich per Gluonenbremsstrahlung in 3-Jet-Ereignissen direkt nachweisen Nachweis des Gluonenspin 25

26 6. Ausblick Erzeugung des Higgs durch Gluon-Gluon-Fusion 26

27 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! 27