Einführung in die Teilchenphysik: Schwache Wechselwirkung - verschiedene Prozesse der schwachen WW - Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix Standardmodell

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1 Kern- und Teilchenphysik Einführung in die Teilchenphysik: Schwache Wechselwirkung - verschiedene Prozesse der schwachen WW - Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix Standardmodell

2 Typische Prozesse der schwachen WW Leptonischer Prozess - Myon Zerfall - Neutraler Strom Semi-leptonischer Prozess - Kern-β-Zerfall - β-zerfall des Neutrons - Pion-Zerfall - Antineutrino-Streuung - Fusion in der Sonne Hadronischer Prozess - Lambda Zerfall orlesung 23.Januar: Lambda-Teilchen Λ: uds, S = 1

3 Zerfälle und Kopplungskonstante der schwachen WW om β-zerfall in Kernen (orlesung ) kennt man zwei Kopplungskonstanten: G (Spin von Elektron und Neutrino antiparallel, S=0 Zerfälle) G wird aus Raten für super-erlaubte Fermi-Zerfällen bestimmt G A (Spin von Elektron und Neutrino parallel, S=1 Zerfälle) G A aus Gamow-Teller Zerfällen (z.b und umgekehrt, 60 Co Zerfall) Andere verwandte Prozesse: Muon-Zerfall: µ e + ν e + ν µ or µ e + ν e + ν µ rein leptonischer schwacher Zerfall - keine Quarks vorher oder danach! keine Ladungsänderung; muß durch neutrales Z 0 Boson vermittelt werden keine Ladungsänderung, keine Coulomb-Effekte im Endzustand Kann man analog zum Neutronzerfall den gleichen Formalismus anwenden? Schwache WW verhält sich gleich für Quarks und Leptonen? u W - e ν e??? e Z 0 ν µ ν e d neutron µ muon

4 Weitere Zerfälle der schwachen WW Gemessene Lebensdauer: τ = ± µs ± ± µ e + ν / v + ν µ / ν µ e e Theoretische orhersage: τ = π h 2 G m c 5 4 µ (Integration über Phasenraum der zwei Neutrinogenerationen) Muon-Zerfall gibt eine schwache Kopplungskonstante G die ungefähr 2.5% größer ist als die in den nuklearen β-zerfällen. Oder, die Kopplungskonstante für den schwachen Zerfall d u Quark ist ungfähr 2.5% kleiner als die des leptonischen Zerfalls von µ e Pion Zerfall: π π + e + ν e Ein anderer d u Quark-Übergang; die Rate ist konsistent mit der gleichen Kopplungskonstante wie beim nuklearen β Zerfall um 2.5% kleiner. 3. K-Meson Zerfall: K 0 π + e + ν ( us uu + e + e ν e ) Dies ist ein s u Quark-Übergang; Rate ist viel kleiner als die d u Rate; Kopplungskonstante ist gegenüber den nuklearen Übergängen um ~80% reduziert.

5 Schwache WW der Quarks Hunderte von Beispielen von schwachen Zerfällen in der Kern- und Teilchenphysik zeigen: Reine leptonische Lebensdauern sind alle konsistent mit einer einzigen schwachen Kopplungskonstante G Hadronische Zerfallsraten, die Übergänge zwischen Quarks vermitteln, ereignen sich auf einer vergleichbaren Skala aber mit konsistenten Unterschieden, die von den beteiligten Quarkflavors abhängen. Eine eindeutige Erklärung ergibt sich wenn wir annehmen, daß die Quarks, die an der schwachen WW teilnehmen, Linearkombinationen von Eigenzuständen der starken WW sind. Diese Mischung wird durch eine unitäre Matrix die CKM Matrix beschrieben (nach Cabbibo, Kobayashi, Maskawa benannt). d' s' b' = ud cd td us cs ts ub cb tb d s b Eigenzustände Schwache WW Unitäre Matrix, wie eine Rotationsmatrix erhält die Länge Eigenzustände Starke WW d ' = d + s + b, etc... ud us ub

6 Konsequenzen aus CKM-Matrix Beim d u Überganges des β-neutronzerfall trägt nur der Anteil d aus dem schwachen Eigenzustand zu dem Zerfall bei. Die schwache Kopplungskonstante ist effektiv um einen Faktor ud = reduziert. Gleiches passiert beim s u Übergang des Kaon-Zerfall, es ist ein s u Übergang, mit einer reduzierten Kopplungskonstante von nur noch us = Messungen von schwachen Teilchenzerfällen und β-übergängen ergaben die folgenden Matrixelemente der CKM-Matrix: (Particle Data Group, 2004) Fehlerbereich aus PDG, σ limits Die Diagonalterme dominieren die CKM Matrix. Alle großen Terme sind real; kleine imaginäre Komponente in der unteren rechten 2x2 Submatrix erlaubt Zeitumkehr oder CP -erletzung!

7 Zusammenfassung der elementaren Fermionen und Austauschteilchen der starken WW schwachen WW elektromagnetischen WW Elektromagnetische und schwache WW sind im Standardmodell vereinigt: elektroschwache WW Experimente suchten bis 2012 Nach dem vorhergesagten Higgs-Teilchen

8 LHC und der Nachweis des Higgs-Teilchen On July 4, 2012, CERN announced the long awaited discovery of a new fundamental particle with properties similar to those expected for the missing link of the Standard Model (SM) of particle physics, the Higgs boson. The discovery was made independently by two experimental collaborations ATLAS and CMS at the Large Hadron Collider both working with huge all purpose multichannel detectors. With significance at the level of five standard deviations, the new particle was mainly observed decaying into two channels: two photons and four leptons.

9 LHC und der Nachweis des Higgs-Teilchen ATLAS Detektor am LHC

10 Nachweis des Higgs-Boson

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12 Ende der orlesung Klausurtermine für Kern- und Teilchenphysik (WS2013/14) Klausur: Hörsaal I von 9:00-12:00 Nachklausur: Hörsaal II von 9:00-12:00

13 Ende der orlesung Kern- und Teilchenphysik des WS 2013/14 Wie geht es weiter? Masterstudiengang Schwerpunkt: Kern- und Teilchenphysik Modulbeschreibung 1. ertiefungsvorlesungen Kernphysik II (3 SWS) : Reaktionen in Kern- und Teilchenphysik Detektorphysik (3 SWS): Wechselwirkung von Teilchen mit Materie, Detektoren und Messmethoden Teilchenphysik (3 SWS) 2. Spezialvorlesungen Kernstruktur (2 SWS) Neutronenphysik (2 SWS) Anwendungen der Kernphysik (2 SWS) Beschleunigerphysik (2 SWS) Polarisationsphysik (2 SWS) Schwerionenphysik (2 SWS) Nukleare Astrophysik (2 SWS) Neutrinophysik (2 SWS) 3. Oberseminar zu aktuellen Themen der Kern- und Teilchenphysik (2 SWS)