Florian Steyer Seminar zu Kern- und Teilchenphysik WS 2014/ Die ersten Mesonen und Hyperonen

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1 Florian Steyer Seminar zu Kern- und Teilchenphysik WS 2014/ Die ersten Mesonen und Hyperonen

2 Übersicht Was sind Hadronen? Die starke Kernkraft Das Pion V-Teilchen Die Nebelkammer Das Kaon Hyperonen Gesamtüberblick 1950er Literatur Abbildungsverzeichnis

3 Was sind Hadronen? Aus Quarks und Antiquarks zusammengesetzte Teilchen Unterteilung in Mesonen und Baryonen Können stark wechselwirken Mesonen(mittelschwere Teilchen): Quark- Antiquark-Paare mit Baryonenzahl 0 und Spin von 0 oder 1. Beispiel: Pion, Kaon

4 Was sind Hadronen? Baryonen(schwere Teilchen): Bestehen aus 3 Quarks/Antiquarks mit Baryonenzahl ungleich 0 und halbzahligen Spin. Baryonenzahl, Spin und Ladung ergibt sich aus den Quarks Beispiel: Proton, Neutron, Λ-Hyperon Baryonen unterteilen sich in Nuklide und Hyperonen

5 Die Starke Kernkraft Problem in 1930er Jahren: Kraft die Proton und Neutron im Kern zusammenhält Kraft wirkt nur innerhalb vom Atomkern => Sehr kurze Reichweite von ca. 2,5fm Kraft wirkt auf Neutron und Proton gleichermaßen => nicht elektromagnetische Kraft

6 Die Starke Kernkraft 1935: Idee nach Yukawa Kernkraft wird durch ein Teilchen vermittelt Das Teilchen wurde Pi-Meson (Pion) genannt Abschätzung des Teilchens auf eine Masse von ca. 150 MeV Proton emittiert ein Pion und verletzt kurze Zeit die Energieerhaltung ( Heisenb. Unschärferel.) Nobelpreis 1949

7 Die Starke Kernkraft Beispiel:

8 Das Pion Wechselwirkungen zwischen Nukleonen: Proton strahlt ab und wird zum Neutron Proton absorbiert Pion und wird zum Neutron Proton bleibt unverändert und erzeugt 0

9 Das Pion 1937: Anderson (1932 Positron) Untersuchung kosmischer Strahlung Unbekanntes Teilchen mit Masse 106 MeV ließ zunächst auf Pion schließen Im Widerspruch hierzu: Keine Wechselwirkung mit Atomkernen der ganzen Erdatmosphäre 6 Lebensdauer von 2 10 s => Physiker nannten es Myon (ein Lepton)

10 Das Pion Pionen entstehen in der oberen Atmosphäre

11 Das Pion Pionen entstehen in der oberen Atmosphäre 1947 Powell, Lattes und Occhialini: Experimente auf Bergen usw. (bis 5600m hoch) um Weg der Pionen zu verringern geladene Pionen und konnten mit fotografischen Platten nachgewiesen werden Masse von 140 MeV entspricht ungefähr Yukawas Schätzung

12 Das Pion Fotoplattendetektor: Lichtempfindliche Platte Geladene Teilchen ionisieren Chemische Reaktion an der Platte Teilchenbahn wird sichtbar

13 Das Pion 1950: Experimente im Teilchen-Beschleuniger Nachweisen des 0 Schwierigkeit hierbei: Ungeladene Teilchen kaum zu detektieren, aber 0 zerfällt unter anderem in zwei Photonen Durch Photonen entstand Paarbildung Nachweis von Elektron-Positron-Paaren 0 ist sein eigenes Antiteilchen

14 Das Pion (Isospin) Starke Kraft wirkt auf Pionen und Nukleonen gleich obwohl Ladungsunterschied vorhanden 1932: Heisenberg Vorschlag in einem "abstrakten Ladungsraum die Einstellungen der dritten Komponente eines imaginaren Isospins als mathematische Beschreibung der Ladungszustande innerhalb einer Teilchenfamilie" [Coughlan, S.71] zu betrachten Es folgt für die Ladung Q: 1 Q ( I3 B) 2 => Pion: Q=+e, 0, -e mit B=0 und I=+1,0, -1

15 V-Teilchen 1947: Rochester und Butler Beobachtung von kosmischer Strahlung in Nebelkammern Teilchen hinterließen V-förmige Linien Man unterschied zwischen: - Hyperonen : Zerfallsprodukt enthält Proton - K-Mesonen : Zerfallsprodukt nur Mesonen

16 V-Teilchen: Die Nebelkammer 1911: Wilson Entstehung von sichtbaren "Wassertröpfchen" in der Nähe von ionisierten Atomen Pfade von Strahlungen und Teilchen wurden sichtbar Nobelpreis 1927

17 V-Teilchen: Die Nebelkammer

18 V-Teilchen: Die Nebelkammer

19 V-Teilchen: Die Nebelkammer

20 V-Teilchen: Die Nebelkammer Zerfall von Pion wird Sichtbar; Schema einer Auswertung

21 Die (Blasen-)Nebelkammer Abgelöse durch Blasenkammer 1952 Glaser: Funktioniert auch bei sehr schwach ionisierenden Teilchen Durch Kolben wird Druck gesenkt und benötigte Siedetemperatur sinkt An Ionen bilden sich Blasen welche fotografiert werden können Nobelpreis 1960 Ablöse der Blasen- durch Drahtkammer

22 Die (Blasen-)Nebelkammer

23 V-Teilchen Problem: erwartete Lebensdauer ca. Ursache für starke WW) Durch Fotoplattenexperimente: (schwache WW) (als => V-Teilchen wurden auch seltsame Teilchen (strange particles) genannt, woraus später die Bezeichnung s-quark, der 2. Generation von Quarks, entstand s s

24 V-Teilchen 1952: Pais These: Seltsame Teilchen werden paarweise erzeugt Ein Jahr später wurde dies nachgewiesen 1953: Gell-Mann und Nishijama Einführung der Quantenzahl S "Seltsamkeit" (Strangeness) S nimmt Werte in den ganzen Zahlen an Bei starker WW ist S Erhaltungsgröße: S(Anfangzustand)=S(Endzustand)

25 V-Teilchen Bsp.: S: K ( 0) (0) ( 1) ( 1) p 0 0 Bezug auf das vorherige Problem: Zerfall p S(Anfang) =\= S(Ende) Erfolgt nicht über starke WW Lebendsdauer des ca. s => Zerfall erfolgt über schwache WW 10 10

26 V-Teilchen Durch die Seltsamkeit wird Anpassung der Ladungsformel benötigt: 1 1 Q e(i B S) 3 2 2

27 Das Kaon 0 Kaonen: K, K und K mit Massen von 494 MeV und 498 MeV 3 m(π) 0 K bzw. K haben S=1, sodass mit S=-1 Im Unterschied zum Pion haben die 0 Kaonen S =\= 0 und das K kann somit nicht sein eigenes Antiteilchen sein. K

28 Das Kaon Mesonen lassen sich in Multipletts einordnen Kaon: Isospindubletts Pionen: Isospintripletts

29 Hyperonen Zerfallsprodukt enthält Proton Baryonenzahl B=1 Lambda-Hyperon Λ : Masse von 1115 MeV Isospin von 0 und Strangeness von -1 Es ex. Nur Sigma-Hyperon Σ: Masse von 1190 MeV Isospin von 1 und Strangeness von -1 0 =>, - und

30 Hyperonen Xi-Hyperon Ξ: Masse von 1320 MeV Isospin von 1/2 und S von -2 0 und Auch Kaskadenteilchen genannt, da sich die Strangeness nur um 1 ändern kann bei Zerfall (also 2 Zerfälle notwendig um nicht seltsames Teilchen zu erhalten)

31 Gesamtüberblick 1950er BILD S.77 alle Teilchen erwähnen

32 Literatur Povh, B., Rith, K., Scholz, C., Zesche, F. (2006): Teilchen und Kerne: Eine Einführung in die physikalischen Konzepte. Berlin: Springer Coughlan, G., Dodd, J. (1991):Elementarteilchen: Eine Einführung für Naturwissenschaftler. Cambridge University Press Amsler, C. (2007) :Kern- und Teilchenphysik. Zürich: vdf Hochschulverlag telle_teilchenphysik#fotoemulsionen

33 Abbildungsverzeichnis 0/e83816/e117284/column-objekt117285/img/Kosmische_Teilchen- DKopie_ger.jpg [Dodd, S.77] [Dodd, S.75] [Dodd, S.7] enkammer.svg

34 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit!