Vorlesung Struktur der Materie, (in Vertretung: Michael Kobel)

Transkript

1 Vorlesung Struktur der Materie, (in Vertretung: Michael Kobel) Überblick/WH: Prinzipien der Wechselwirkungen Entdeckung der Botenteilchen Erkenntnisse aus e + e - Vernichtung Zahl der Farbladungen der Quarks Eigenschaften des Z-Bosons

2 1.) Prinzipien von Wechselwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend Anziehend

3 Was ist eigentlich eine Ladung? Eine Fundamentale Eigenschaft eines Teilchens Ladungen sind Additiv: Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladungsmenge vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren Mathematisch: Ladungen sind die Eigenwerte der Generatoren von lokalen Eichsymmetrien

4 Die elektromagnetische Wechselwirkung Ladung: elektrische Ladung Q Arten: 1 Ladungsart: Zahl, positiv oder negativ Botenteilchen: Photon Eigenschaften: elektrisch neutral: Q=0 masselos : m=0 Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung +2/3-1/3 O -1 Besonderheiten: Unendliche Reichweite Makroskopisch beobachtbar Grundlage für (fast) alle makroskopischen Phänomene im Alltag (alle Lebensprozesse, Chemie, Reibung, Druck, Licht, Technik )

5 Die starke Kraft Institut für Kern- und Teilchenphysik Ladung: starke Ladung λ Arten: 3 Ladungswerte: Farbladung, (für Antiquarks jew. Antifarbe) Botenteilchen: 8 Gluonen Eigenschaften: tragen je 1 Farbe und Antifarbe masselos : m=0 Teilchen Up Down Neutrino Elektron Ladung r, b, g r, b, g - - Besonderheiten: Endliche Reichweite ca 1 fm Gluonen binden Quarks in Hadronen (Baryonen, Mesonen) Confinement: Keine freien Quarks, alle Hadronen farbneutral Meson-Austausch beschreibt Kernkräfte zwischen Nukleonen Bindungsenergien erklären radioaktiven α-zerfall

6 Potenzial der starken Kraft

7 Confinement Institut für Kern- und Teilchenphysik

8 Jet-Bildung durch Fragmentation als Feynman Diagramm

9 Folge: Einzelne Quarks ergeben Hadronen Jets e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e p 800 GeV

10 Die schwache Kraft Institut für Kern- und Teilchenphysik Ladung: schwache Ladung (I 1, I 2, I 3 ) Arten: 1 Ladungsart: Zahlentriplett Botenteilchen: W -, Z 0, W + Eigenschaften: tragen selber schwache Ladung: I 3 = -1, 0, 1 Masse : m = GeV Teilchen Up Down Neutrino Elektron I 3 +1/2-1/2 +1/2-1/2 Besonderheiten: Endliche Reichweite ca fm Makroskopisch nicht beobachtbar, außer Brennen der Sonne Radioaktive Umwandlung ( Zerfall ) des Neutrons Analog: Zerfall des Myons µ eνν

11 Übersicht: Bausteinteilchen und Wechselwirkungen Bestimmt durch jeweilige Ladungen

12 2) Entdeckung der Botenteilchen 1979: Die Entdeckung des Gluons (PETRA Ring, DESY)

13 W-Entdeckung: Super-Antiproton-Proton Synchrotron (S pps), CERN, 1982 Erstes Ereignis pp W + μν + Myon als (fast) gerade Spur ekennbar (roter Pfeil) Neutrino durch fehlenden Transversalimpuls (Summe aller Spuren!) indirekt nachgewiesen

14 Resultat der Entdeckung: Aus 4 eν Ereignissen: m W = ( ) GeV

15 Die Entdeckung des Z 0 am UA1-Experiment, S pps, CERN, 1983 Das Z wird über den Zerfall in μμ (weiße Spuren) oder ee u ihre invariante Masse rekonstruiert

16 Entdeckung (1983, links): m Z = (94 +-3) GeV Volle Datensätze (1984, unten)

17 3) e + e - Vernichtung Hadronischer Endzustand über e + e - γ/z qq Hadronen oder e + e - W + W - qq qq

18 e + e - Vernichtung in Myonen e + e - γ/z μ + μ

19 3a) Evidenz für 3 Farbladungen der Quarks E CM E 2

20 3b) Eigenschaften des Z-Bosons Das Z Teilchen ist nicht stabil Wandelt sich nach 3x10-25 s (!) in andere Teilchen um e + e - Z 0 Z 0 Zeit Z 0 e+eμ+μτ+τ- qq νν

21 Modell für Zerfallskanäle Löcher entsprechen Zerfallskanälen Für einzelnes Wassermolekül Austrittsloch nicht vorhersagbar Für einzelnes Z-Teilchen Zerfallskanal nicht vorhersagbar Entleerungsdauer absolute Größe der Löcher Zerfallsdauer Stärke der Kopplungen an Teilchenpaare Ergebnis: Schwache Wechselwirkung gar nicht Z 0 so schwach! Aufgabe Verhältnis für Übungen! der Austrittsmengen Doonerstag, Größenvergleich PC Pool, Willersbau der Löcher119 Verhältnis der Zerfallswahrscheinlichkeiten Größenvergleich der Kopplungen e+eμ+μτ+τ- qq νν

22 Ergebnisse hochaktuell Veröffentlicht in Physics Reports, Mai 2006

23 Teilchenidentifikation = Detektivarbeit Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten feststellbare Teilcheneigenschaften: aus Quarks ( Hadronen ) elektr. geladen / ungeladen leicht / schwer

24 Wechselwirkungen im Detektor Mehr Durchschlagskraft für: - schwere Teilchen - schwächere Wechselwirkung

25 Schnitt durch einen Sektor des CMS Detektors Teilchen anklicken, um seinen Weg durch CMS zu verfolgen Press escape to exit

26 Methodik der Messgrößen Anteil der jeweiligen Zerfälle (Branching Ratios) B i Verhältnisse der Anteile (Ratios of BRs) R i Wirkungsquerschnitt Masse und Breite des Z

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