Quarks, Gluonen, Hadronen

Transkript

1 Kerne un Teilchen Moerne Experimentalphysik III Vorlesung 8 MICHAEL FEINDT INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK Quarks, Gluonen, Haronen KIT Universität es Lanes Baen-Württemberg un nationales Forschungszentrum in er Helmholtz-Gemeinschaft

2 Quarks im Stanarmoell Nukleonen bestehen aus gelaenen, pkt.förmigen Teilchen mit Spin ½. Baue Eigenschaften er Nukleonen aus en Konstituenten auf: Quarks u p n Laung z ⅔ -⅓ 1 0 Isospin I ½ ½ ½ ½ I 3 ½ - ½ ½ -½ Spin s ½ ½ ½ ½ erforert minestens 3 Quarks im Nukleon uu u Drittelzahlige Laungen korrekt, aber noch nicht eineutig. Weitere Hinweise: = uuu = uu = u = existiert nicht Es gibt insgesamt 6 Quarks z f = +⅔ z f = -⅓ Familie u c t s b Quarkmassen / MeV u c s t b 1 3 Generationen Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

3 Strukturfunktionen un Quarklaungen F e p (x) = x [ 1/9 ( vp + s + s ) + 4/9 (u vp + u s + u s ) + 1/9 (s s + s s ) ] F e n (x) = x [ 1/9 ( vn + s + s ) + 4/9 (u vn + u s + u s ) + 1/9 (s s + s s ) ] v : Valenzuarks Isospin Symmetrie: p n entspricht u Vertauschung F en (x) = ½ (F ep + F en ) also: u vp = v n vp = u v n = ½ x [ 1/9 vp + 1/9 s + 1/9 s + 4/9 u vp + 4/9 u s + 4/9 u s + 1/9 u vp + 1/9 s + 1/9 s + 4/9 vp + 4/9 u s + 4/9 u s + /9 (s s +s s )] = ½ x [ 1/9 ( + ) + 4/9 ( + ) + 1/9 (u + u) + 4/9 (u + u) + /9 (s+s) ] = 5/18 x [ u + u + + ] + 1/9 x [ s + s ] Valenz- un See-Quarks klein nur See-Quarks Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

4 Strukturfunktionen s-quarks vernachlässigen F en (x) = 5/18 x Σ((x)+(x)) vgl. Neutrino-Streuung + Antineutrino-Streuung: ν u W + v (x) hat Maximum bei x schwache Laung µ - u ν u W - =1 schwache Laung =1 z f 1 ( ) ( ) ) 1 1 = ( zu + z ) = 3 + mittlerer Impulsanteil eines Valenzuarks: <x v > 0.1 mittlerer Impulsanteil eines Seeuarks: <x s > 0.04 νn 18 en F ( x) x ( ) 5 F x x Gluonen tragen ie Hälfte es Nukleonimpulses µ + u 3 mit f = u, ν, ν N 18 en F ( x) F ( x) siehe später : schwache WW.h. weitere 50% es Nukleonimpulses wir von Teilchen getragen, ie keine elektrische un keine schwache Laung tragen Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

5 Strukturfunktionen Bile F n / F p x 0 : x 1 : un untersuche Grenzfälle: F n p F = 1 Seeuarks ominieren sin gleich in p un n z + z z + z n p 1 u F F = = z 4 zu, nicht = = 3 u Quarks spielen nicht ie gleiche Rolle im Nukleon; as, as unterscheiet, hat eine Sonerrolle (mehr Impuls). Die Zusammenhänge sin noch nicht sehr gut verstanen. u p n Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

6 Quarks in Haronen Haronen = stark wechselwirkene Teilchen Baryonen "schwere" halbzahliger Spin Fermionen p,n leichteste Baryonen Experimenteller Befun: Def. Baryonenzahl: Baryonenzahlerhaltung: Mesonen "leichte" ganzzahliger Spin Bosonen Anzahl er Baryonen - Anzahl er Antibaryonen ist bei jeer Reaktion konstant. N B N = konstant B B = +1 für Baryonen B = -1 für Antibaryonen = +⅓ für = -⅓ für Σ B = konstant Bsp.: Protonenzerfall "verboten", a p = leichtestes Baryon mit B= Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

7 leichte Haronen leichteste Haronen: Pionen - Mesonen mit m 140 MeV - Isospin-Triplett ( I=1 ) : π +, π 0, π - Zerfall nur in Leptonen oer Photonen möglich: π + = u µ + ν schwach π - = u µ - ν schwach π 0 = 1 ( uu ) ɣ ɣ e.m. Flavour Wellenfunktion (Quark-Zusammensetzung) ( u u + ) Isoskalarer Partner es π : ist ein aneres Teilchen (anere Masse, Lebensauer, Zerfallsmoen etc.) Mesonen haben Baryonenzahl 0 : B = 3 (# + #) = 0 η = Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

8 Quark Gluon Wechselwirkung Betrachte Pauli Prinzip für 3-Quark-Systeme z.b.: ++, J P = 3/ +, m = 130 MeV: leichtestes Baryon mit iesen Quantenzahlen Grunzustan: Bahnrehimpuls L=0 - Spinwellenfunktion: symmetrisch - Flavour Wellenfunktion: uuu symmetrisch Ortswellenfunktion symmetrisch Gesamtwellenfunktion symmetrisch unter Austausch zweier Quarks? Aber J=3/ : Verstoß gegen Pauli-Prinzip Betrachte WQ für Reaktion e + e + + f f, vgl. mit WQ ( e e µ µ ) (f = u,,s,c ) außerhalb von Resonanzen alle Haronen in Σ f mitnehmen, ie kinematisch erlaubt sin (nicht zu schwer sin) + + σ ( e e Haronen) σ ( e e f f f ) R = = = n C z f σ ( e e µ µ ) σ ( e e µ µ ) f exp: n C = 3 Quarks gibt es in 3 unterscheibaren Arten Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

9 Evienz für 3 Farben Referenz für Streuung punktförmiger Teilchen: σ (e + e - µ + µ - ) R = σ ( e e σ ( e e + = + + n C z f f ( s ) Haronen ) µ µ ) zugänglicher Bereich je nach Schwerpunktsenergie - e + e - Haronen = inkohärente Summe von unterscheibaren Enzustänen e + e - f,c f,c - Fragmentation (Haronisation) Haronen mit Wahrscheinlichkeit 100% Anzahl er Farben (N-colour): N C = 3 R = [Quelle: Povh,Teilchen un Kerne] Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

10 R σ ( e σ ( e e e + = + + Haronen) µ µ ) = n C z f f ( s ) s = E CMS Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

11 Quarks un Farbe Mit 3 farbigen Quarks kann eine antisymmetrische Wellenfunktion konstruiert weren: r g b Quarks tragen Farbe (Triplett ) Antiuarks tragen Antifarbe (Anti-Triplett ) Alle beobachteten Haronen sin farblos (Farb-Singletts) Mesonen: + Baryonen: Gluonen tragen Farbe un Antifarbe (Colour Oktett ) z.b. SU(3) - Gruppentheorie rr - gg rg, rb, gb, gr, br, bg,, Können untereinaner koppeln, weil sie selbst gelaen sin. Sonst analog zum Photon: masselos, J P = 1 - (Vektorboson) rr + gg bb Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

12 Wechselwirkungen zw. Quarks un Gluonen Gluon-Abstrahlung vom Quark g Gluon-Aufspaltung g Gluon - Selbstkopplung 3-Gluon-Vertex g gg 4-Gluon-Vertex gg gg Darstellung in D (10 -Winkel): g b r 10 Verboten, a nicht farbneutral: r b g farbloses Objekt: Meson: Aber: gg,, g, können farbneutral sein. Glueball Hybri 4-Quark Pentauark exotisch, einige Kaniaten, aber noch umstritten + π u = u u r g b r g b Baryon Antibaryon r g r b u π + rg gr rb r g r b t Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

13 Gluonenjets 13 - un 3-Jet-Ereignisse [Quelle: Povh,Teilchen un Kerne] [Quelle: Perkins,Introuction to High Energy Physics Physics] JADE bei Petra, s = 31 GeV J=0 J=1 cosθ θ: Winkel zwischen höchstenergetischem Jet un Fluglinie er aneren beien in eren CMS: Gluonen haben Spin 1 Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

14 Skalenbrechung F hängt bei hohen Q och von Q ab (für große un kleine x) och enl. Ausehnung er Quarks? NEIN: Auflösung von virtuellen Substrukturen im Quarkverbun: ein Quark "besteht" aus Quarks un Gluonen, ein Gluon "besteht" aus Quarks un Antiuarks. F x klein mittleres x x groß Q "normal" Quark mit Impuls y P strahlt Gluon ab un trägt anach Impuls x P (kleiner!) Gluon "zerfällt" in, von enen eines vom Photon getroffen wir. Je höher Q, esto häufiger können Aufspaltungsprozesse stattfinen. Entwicklung in er QCD vorhersagbar. Altarelli Parisi Gleichungen (gekoppelte Differential-/Integralgleichungen) Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

15 Skalenbrechung Impulsverteilungen im Nukleon α s, Λ QCD [Quelle: Povh,Teilchen un Kerne] Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

16 Q-Evolution von Quark- un Gluon-Verteilungen Quark-Verteilung hohes Q: weniger Valenzanteil mehr See-Anteil x ( x) = x ( f Gluon-Verteilung viele Quarks bei kleinem x f ( x) + f ( x) ) 18 F 5 Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8 G ( x, Q ) = x g ( x )

17 Gluonenaustausch in er Starken WW zb. π + u Meson [Quelle: Hilscher:,Elementare Teilchenphysik] Baryon Valenz-Quarks + Gluonen + See-Quarks b r b r b r [Quelle: Do, Elementarteilchen] Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

18 "Runningα s " α s α em = 1/137 großer Abstan α em = 1/18 kleiner Abstan : α em steigt mit Impulsübertrag [Quelle: Perkins,Introuction to High Energy Physics] Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

19 Asymptotische Freiheit bei hohen Q ist α s klein ; Quarks frei ; 1-Gluon Austausch Fragmentation mit Wahrscheinlichkeit 100% -Jet-Prouktion g Gluon-Propagator auch 1/Q 4 Q 000 GeV CERN pp-collier, Gluon-Austausch ɣ 1 Q sin θ 1-Photon-Austausch Q 0.1 GeV α an Gol, 1909 [Quelle: Perkins,Introuction to High Energ gy Physics] Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

20 Vakuumpolarisation in QED un QCD steigt mit fällt mit [Quelle: Hilscher:,Elementare Teilchenphysik] s [Quelle: Do, Elementarteilchen] Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

21 Vakuumpolarisation in QED un QCD QED QCD [Quelle: Hilscher:,Elementare Teilchenphysik] Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

22 Fellinien in QED un QCD QED-Fellinien QCD-Fellinien "Schlauch" "String" uasi-einimensional Felenergie wir größer E > m()+m() -Paare aus Vakuum Mesonen Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8

23 Confinement (Farbeinschluss) " Potential": kleine r: stark wie e.m. stark: V 1/r + α r Coulomb 1/r "asymptotische Freiheit" tief im Haron linear ansteigenes Potential bei großen Abstänen "Ionisation" nicht möglich wenn man ein Quark aus einem Haron entfernt, wir ie Energie so groß, ass es günstiger ist, ein -Paar aus em Vakuum zu erzeugen, un aurch zwei Haronen mit kleinem -Abstan zu erhalten Haronisation, Jetbilung Michael Feint, Moerne Experimentalphysik III, Vorlesung 8