Entdeckung des τ-leptons

Transkript

1 Bahnbrechende Experimente der Kern- und Teilchenphysik bis Betreuer: Dr. Mader

2 Inhalt Wissensstand um 1960 Der Weg zur Entdeckung Photoproduktion Myonstreuung an Protonen e + e Annihilation Das Experiment Der MARK I Detektor Der Speicherring SPEAR am SLAC Erste Ergebnisse Bestätigung der Lepton-Hypothese τ-physik heute

3 Bekannte subatomare Teilchen Elektron e 1897; J.J. Thomson 1906 Proton p ; E. Rutherford 1908 Neutron n 1932; J. Chadwick 1935 R. Hannaske Positron e ; C. D. Anderson 1936 F. Krüger Myon µ 1937; C. D. Anderson M. Anders Pionen π ± 1947; C. F. Powell 1950 M. Anders Antiprotonen p 1955; O. Chamberlain 1959 Antineutron n 1956; B. Cork Antineutrinos ν 1956; F. Reines 1995

4 Weitere Erkenntnisse 1962; L. Lederman & J. Steinberger; Brookhaven Neutrinos aus π ± -Zerfall erzeugen nur Myonen, niemals Elektronen. ν = ν e ν µ 1964; M. Gell-Mann Aufstellung der Quarkhypothese q = u d s 1964; Vorhersage des c Quarks Mit Existenz des c Quarks konnte Verzweigungsverhältnis von K 0 µ + µ erklärt werden.

5 Modell der Leptonen Wie müssen Leptonen angeordnet werden? Abbildung: Das c Quark würde das Modell vervollständigen.

6 e-µ-problem Wozu existieren Myonen? Teilchen Elektron Myon Elektr. Ladung +1 oder oder -1 Masse /m e elektro.-magn. Ww. Ja Ja schwache Ww. Ja Ja starke Ww. Nein Nein Neutrinos ν e oder ν e ν µ oder ν µ Lebensdauer stabil 2, s

7 Wie könnte das e-µ-problem gelöst werden? Suche nach weiteren bisher unbekannten Unterschieden zwischen e und µ. Suche nach weiteren Leptonen.

8 Photoproduktion Photoproduktion am SLAC; 1963 Erzeugung energiereicher Photonen mittels e + Kern γ +... Suche nach Paarbildungen von neuen Leptonen der Form γ + Kern L + + L +... Energie der Photonen war nicht hoch genug!

9 Photoproduktion My hope was that we would find a new particle L, perhaps a new charged lepton somehow related to the electron or muon. A vague hope by the standards of our knowledge of elementary particle physics today. We were certainly naive in the 1960 s. Martin L. Perl bei seiner Nobelpreis Verleihung

10 Myonstreuung an Protonen Inelastische Myonstreuung an Protonen am SLAC; 1968 Besitzt das Myon eine spezielle Wechselwirkung mit Hadronen der folgenden Art? Abbildung: Konzept einer Myon-Hadron-Wechselwirkung

11 Myonstreuung an Protonen Inelastische Myonstreuung an Protonen am SLAC; 1968 Ruhende Protonen wurden mit Myonen beschossen. Vergleich der diff. Wirkungsquerschnitte für die Reaktionen µ + p µ + had e + p e + had Systematische Fehler von 5 bis 10% bei Vergleich beider Messungen erschwerten die Auswertung. Sowohl inelastische als auch elastische Streuversuche brachten keine eindeutigen Unterschiede zu Tage.

12 Myonstreuung an Protonen Experimental science is a craft and an art, and part of the art is knowing when to end a fruitless experiment. Martin L. Perl bei seiner Nobelpreis Verleihung

13 e + e Annihilation e + + e L + + L Idee 1: Neue Leptonsequenz bildet ein Paar der Form L, ν L Jedes Paar besitzt eigene Leptonenzahl L e,µ,l,... Leptonen sind Punktteilchen (Diracteilchen) Neues Lepton L zerfällt wie folgt: L + e + + ν e + ν L L e + ν e + ν L L + µ + + ν µ + ν L L µ + ν µ + ν L

14 e + e Annihilation e + + e L + + L Idee 2: Para-lepton L e (e ) = +1 L e (L ) = 1 L e ν e ν e (1) L µ ν µ ν e (2) Idee 3: Ortho-lepton L e (e ) = L e (L ) = +1 L e e e + L e π 0 Später nie beobachtet! (1) wäre wegen den 2 ν e um Faktor 2 gegenüber (2) bevorzugt. Widerspruch zur späteren Beobachtung!

15 e + e Annihilation e + + e L + + L Wonach musste gesucht werden?

16 e + e Annihilation e + + e L + + L Wonach musste gesucht werden? e + + e L + + L e ± + µ + missing energy

17 e + e Annihilation e + + e L + + L Wonach musste gesucht werden? e + + e L + + L e ± + µ + missing energy e und µ mit entgegengesetzter Ladung. Gegenläufig orientiert. e-µ-ereignisse sind charakteristisch. Unterhalb einer Schwellenenergie E Schwelle sollten Ereignisse verschwinden.

18 Der MARK I Detektor Der MARK I Detektor Einer der ersten Vielzweck-Raumwinkel-Detektoren für kollidierende Strahlen. Abbildung: MARK I Schema; B = 0, 4T; Ω = 2, 7rad

19 Der MARK I Detektor Der MARK I Detektor

20 Der MARK I Detektor Der MARK I Detektor Neu am MARK I Detektor ist die Kombination vieler Messkomponenten: Funkenkammer ermittelt gekrümmte Trajektorien der Teilchen Impuls Flugzeitmessung zwischen den Trigger-Zählern Geschwindigkeit Elektronen werden durch Schauer im Kalorimeter identifiziert. Hadronen werden an Eisen-Mantel gestoppt. Myonen werden in äußerer Funkenkammer nachgewiesen.

21 Der Speicherring SPEAR am SLAC Der Speicherring SPEAR am SLAC Der e + e -Speicherring SPEAR am SLAC ging 1973 in Betrieb. Maximale Schwerpunktsenergie S 2 8GeV Maximale Luminosität bei S 2 4, 8GeV

22 Erste Ergebnisse Erste Ergebnisse; 1975 Evidence for anomalous lepton production in e + e annihilation 24 e-µ-ereignisse mit Gesamtladung 0 und 0 detektierten Photonen wurden gefunden. keine konventionelle Erklärung für dieses Ereignis

23 Erste Ergebnisse Erste Ergebnisse; 1975 Abbildung: σ eµ (E cm ) für e-µ-ereignisse Abbildung: e-µ-ereignis im MARK I mit Myon-Tower

24 Erste Ergebnisse Schlußfolgerung Keine koventionelle Erklärung für Auftreten der e-µ-ereignisse e-µ-ereignisse stammen aus Zerfall eines neuen Teilchens mit der Masse m 1, , 0GeV/c 2 Neues Teilchen: Schweres Lepton oder Schweres Meson?

25 Our first publication was followed by several years of confusion and uncertainty (...). Martin L. Perl bei seiner Nobelpreis Verleihung Vorhergesagtes viertes Quark (charm) wurde November 1974 entdeckt (J/Ψ). Modell mit 2 Generationen erschien vollständig. Wieso sollte eine 3. Generation existieren?

26 2-Körper- oder 3-Körperzerfall? Vergleich von σ eµ für Zerfall eines 1,8GeV Leptons mit σ eµ für Zerfall eines 1,8GeV Mesons. Abbildung: Vergleich der Wirkungsquerschnitte

27 2-Körper- oder 3-Körperzerfall? Unterschied wird deutlicher mit Parameter ρ = p 0.65 p max aus dem Logbuch von M. Perl Abbildung: Bestätigung der

28 Ist L ± ein Lepton? Wenn L ± Teil einer neuen Leptonfamilie wäre, dann müssten folgende Verzweigungsverhältnisse existieren: B(L ν L + e + ν e ) 20% B(L ν L + µ + ν µ ) 20% B(L ν L + hadrons) 60% Untersuchen von anormalen Ereignissen: L + + L µ ± + had +... L + + L e ± + had +...

29 Anormale Myon-Ereignisse am SLAC; 1976 Bei E beam 5, 8GeV fand Gary Feldman am MARK I mit Myon-Tower 8 e-µ- und 17 µ-had-ereignisse. B(L ν L + µ + ν µ ) 24% B(L ± ν L + hadrons) 52% (...) then with large errors, (...) this is almost exactly what one would expect for the decay of a heavy lepton. Gary Feldman, 1976

30 Anormale Elektron-Ereignisse am SLAC; 1977 Bleiglas verbessert Elektron-Detektion B(L ν L + e + ν e ) = (22, 4 ± 5, 5)% B(L ± ν L + hadrons) = (45 ± 19)% Abbildung: Modifizierter MARK I Detektor

31 Die Suche nach L ν L π und L ν L ρ ; Anormale Ereignisse zeigten, dass semileptonische Zerfallsraten in der richtigen Größenordnung liegen. Der Zerfall in Mesonen wurde bislang nicht beobachtet. Mesonische Zerfälle müssen existieren, falls L ± ein sequenzielles Lepton ist. Theoretische Berechnung liefert: B(L ν L π ) 10% B(L ν L ρ ) 20%

32 Die Suche nach L ν L π und L ν L ρ ; Nach Weiterentwicklung der Detektoren wurden diese Reaktionen am MARK I, PLUTO, DELCO und MARK II gefunden. B(L ν L π ) = (8, 3 ± 1, 4)% B(L ν L ρ ) = (22, 3 ± 6, 6)% Lepton-Hypothese liefert keine Widersprüche!

33 Der Physiknobelpreis 1995 Zusammen mit Frederick Reines, für die bahnbrechenden Beiträge zur Physik der Leptonen. Abbildung: Martin L. Perl

34 Aktuelle Eigenschaften des τ-leptons Teilchen Elektron Myon Tauon Elektr. Ladung +1 oder oder oder -1 Masse /m e elektro.-magn. Ww. Ja Ja Ja schwache Ww. Ja Ja Ja starke Ww. Nein Nein Nein Neutrinos ν e oder ν e ν µ oder ν µ ν τ oder ν τ Lebensdauer stabil 2, s 3, s

35 Aktuelle Forschungsaspekte Abbildung: Messung der starken Kopplungskonstanten α S (m 2 τ ) Messen des invarianten Massenspektrums Hadronische Zerfallsrate R τ = Γ(τ hντ ) Γ(τ eν eν τ ) α S(s) α S ist freier Parameter in Fit mit theoretischen Modellen. Ergebnis: α S (mτ 2 ) = 0, 348 und α S (mz 2 ) = 0, 1219

36 Aktuelle Forschungsaspekte Abbildung: Vergleich der s Quark Massen für verschied. Modelle Erneute Messung des invarianten Massenspektrums Nur Zerfallskanäle mit ungerader Anzahl an Kaonen m s ist freier Parameter in Fit mit theoretischen Modellen. Ergebnis: m s (2GeV) = 76MeV

37 Offene Fragen Wieso existiert 3. Generation? Wie erklären sich die Massen? e-µ-problem e-µ-τ-problem

38 Danke für Ihre Aufmerksamkeit und Frohe Weihnachten

39 Literatur Stahl, A. (2000): Physics with Tau Leptons (Springer, Berlin) Musiol, G. et. al. (1988): Kern- und Elementarteilchenphysik (DVW, Berlin) Demtröder, W. (2005): Experimentalphysik 4 (Springer, Berlin) OPAL Collaboration, K. Ackerstaff et. al., CERN-EP/ (1998) OPAL Collaboration, G. Abbiendi et. al., CERN-PH-EP/ (2004) Perl, M. (1995): Nobel-lecture of M. Perl (SLAC, Stanford) Newman, H.B. (1999): History of Original Ideas and Basic Discoveries in Particle Physics (Plenum Press, London)