Zerfall schwache Wechselwirkung elektro-schwache Wechselwirkung Standardmodell

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1 Helizität Fermi β -Zerfall log ft-wert Antiteilchen Neutrinos Dirac-Gleichung µ υ -Oszillation schwache Wechselwirkung (V-A) mass-eigenstate weak-eigenstate linkshändig elektro-schwache Wechselwirkung CP- Verletzung Standardmodell Cabibbo sin Θ c Vektor-Kopplung Axial-Vektor-Kopplung CVC Universalität Paritätsverletzung sin ( 5 1 ) γ γ 2 Θ Unitaritätsdreieck Quark-Mixing Bosonen CKM-Matrix neutraler Strom GIM No Flavour changing neutral current FCNC Higgs GUT W Glashow N ν Weinberg = 3 Salam e = gsin Θ w ± W, Z LEP 0

2 Geschichtlicher Abriss 1896 ~ bis 1930 Henri Bequerel, P. Curie, M. Curie Filmschwärzung durch Urankristalle NP: 1903 NP: 1911 Chemie H. Bequerel, W. Kaufmann, E. Rutherford elektrisch geladene β-strahlen NP: 1908 Chemie J. Chadwick (geb. 1891) (Nobelpreis: 1935-Neutron) β-zerfall ändert Kernladungszahl um 1: β-teilchen sind Elektronen β-spektrum ist kontinuierlich wegen MAZ (, ) MAZ (, 1) E β Energiesatz ist verletzt!! n( β) Z A Z 1 A E max E β Ra, Po 1928 P.Dirac Dirac-Gleichung Nobelpreis: 1933 Dirac-Theorie 31-jährig negative Energie Anti-Teilchen mit Schrödinger Häresie

3 1930 W. Pauli NP: 1946: Pauliprinzip postuliert das ungeladene nicht beobachtbare Neutrino zur Rettung des Energiesatzes 3 ( heute : λ (1 MeV ν)~10 ly) mfp Z A Z 1 A β ν E 0 = E β E ν Das kontinuierliche β-spektrum würde verständlich, wenn man annimmt, daß E. Fermi NP 1938: künstliche radioaktive Elemente Formulierung des β-zerfalls in Anlehnung an die Strom-Strom-WW der E-Dynamik G H W = ( ) ( ) ( ) 2 2 JW x JW x f x x d xd x c

4 1934 F. Joliot, I. Curie NP: 1935 Chemie Entdeckung des β-zerfalls Anti-Teilchen!! 1956 T. D. Lee, C. N. Yang NP: 1957 Diskussion einer Paritätsverletzung Beobachtung: " τ " " ϑ " π π π π π 0 m ( τ ) = m ( ϑ ) heute: τ = ϑ = =KK

5 1957 C. S. Wu Paritätsverletzung beim β-zerfall ( 60 Co) zunächst Untergang der Fermi-Theorie, dann Rettung der Fermi-Theorie: Wechselwirkung wird erweitert durch axiale Kopplung: Fermi µ ( V A )~ γ (1 γ 5 ) 1958 M. Goldhaber et al γ 152 Eu ( EC ) Sm (1 ) Sm Bestimmung der Helizität des Neutrinos sonirtugen Neutrinos sind dnis linkshändig gidnäsknil

6 1959 F. Reines, C. L. Cowan Entdeckung des Neutrinos (Reaktor- ν s) ν p n e e e 2 γ ~ µ sec (indirekter Nachweis über Rückstoß bei Einfang γ Ar e ( EC ) Cl ν 0,8 MeV 1952, G. Rodeback, J. S. Allen) 1962 L. Ledermann, J. Steinberger, M. Schwarz NP: 1988 Entdeckung des Myon-Neutrinos, Brookhaven π µ ν µ ν n p nicht: µ ν µ µ n e p Leptonenzahl-verletzt

7 Reines & Cowan 1959 ν e p e n n Cd γ.. γ... ν beam from reactor γ 's n Positron annihilation e CdCl 2 water Liquid scintillator from neutron capture in Cd CdCl 2 water Schematic diagram of the experiment by Reines and Cowan (1959), detecting the interactions of free antineutrinos from a reactor.

8 1963 N. Cabibbo Vor-Quark-Zeitalter Erste Formulierung der Universalität (d.h. schwache W.W. ist innerhalb jeder Familie (Generation) dieselbe. heute: allgemein: d cos Θ sinθ d s C C = sinθ C cos ΘC s u = u d = V d u d CKM = ( u, c, t ) = ( d, s, b ) Eigenzustände der schwachen W.W. V CKM ist unitäre 3x3 Matrix (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa), die die Eigenzustände der starken WW auf die der schwachen WW transformiert ( Dreh-Matrix!!)

9 1964 M. Gell-Mann, G. Zweig NP: 1969 Quarks NP: Christenson, Cronin, Fitch, Turlay CP-Verletzung im K-System Auch: erster Hinweis auf die Baryon-Antibaryon- Asymmetrie im Universum

10 S. L. Glashow, S.Weinberg, A. Salam NP: 1979 Vereinheitlichung der schwachen & elektromagnetischen W.W. Standardmodell 3 Bosonen: 0 W, Z, W M = 81, 91, 81 GeV neutrale Ströme, die in der Fermi-Theorie NICHT! enthalten sind Beispiel: N C : ν µ e ν µ e CC : ν p µ n µ

11 Glashow, Iliopolus, Maiani G I M charm-quark wird gefordert zur Erklärung der geringen Zerfallsstärke von: BR ( K L 0 µ µ ) ~ BR ( K π νν ) ~10 Gargamelle Kollaboration, CERN experimenteller Nachweis des neutralen Stroms ν h ν x h ν e ν e µ adron µ adron µ µ 1974 S. Ting, J.B. Richter NP: ~1976 Entdeckung des charm SLAC (Stanford): Brookhaven AGS: J heute: J ψ Ψ ( e, e Spear Ring ) ( p Be J...) cc charmo ni u m Breite: 63 kev Masse: GeV

12 Gargamelle 1977 P. Musset and J.P. Vialle, Neutrino Physics with Gargamelle ELECTRON-NEUTRINO REACTION ν e n e p

13 publ Gargamelle B.C. erstes neutrale-strom - Ereignis νµ e ν µ e A candidate for the reaction ν e ν e A candidate for the reaction µ µ

14 1975 heute: M. Perl (Stanford) τ Entdeckung des -Leptons e e τ τ m ( τ ) = 1,784 µ ν ν e ν ν e GeV 13 µ τ τ τ τ = 3,14 10 sec ( c τ τ ~94 µ m ) NP: events dieser Art beobachtet tau charm factory 8 ~10 / y BR ( τ µνν ) = 17,5% BR ( τ e νν ) = 17,9% S. W. Herb et al. (Fermilab) Entdeckung des b -quarks durch Erzeugung von (bb)-bottonium hier: ϒ und ϒ Bestätigung und Entdeckung weiterer (bb)-zustände am DORIS-Ring (Hamburg) Bestimmung der Massen und Breiten ϒ, ϒ

15 1983 C. Rubbia NP: 1984 Entdeckung des W-Bosons am SppS -Collider (UA1-Kollab.) 43 events! W or Z formation in pp collisions via the Drell-Yan mechanism. pp event in the UA1 detector at CERN showing the typical high multiplicity.

16 W - Kandidat A W candidate-event from the UA1 detector. The arrow shows the isolated high-p T, identified electron. W e ν Verteilung der transversalen Masse e e 12 mt (2( pt pt ν ν = p T p T )) des Elektron -Neutrino-Paares vom W-Zerfall. Die volle Kurve ist die theoretische Erwartung mit einer angepaßten W-Masse m W = 80,3 GeV. Die gestrichelte Kurve zeigt zum Vergleich die theoretische Erwartung für die Produktion eines hypothetischen Teilchens W, das einen 3-Körper-Zerfall erleidet

17 Z Entdeckung des Z -Bosons (UA2) Anschließend Bau des LEP mit e (50 GeV) e - (50 GeV) bis Nach 0 ~3 10 Z Etablierung des Standard-Modells der elektro-schwachen Wechselwirkung 0 event Z e e An e e -, Z 0 event from UA1. (a) shows all reconstructed vertex associated tracks while (b) shows the same event but including only tracks with p T > 2 GeV/c and calorimeter hits with E T > 2 GeV. Only the e e - pair survives the cuts.

18 Z 0 -event E T -cut > 2 GeV heute: M Z 0 = 91,181 GeV invariante Masse l l - [GeV] Mass distribution for e e - and µ µ - events from the UA1 and UA2 experiments at the CERN pp collider showing the Z 0 peak.

19 1998 Super-Kamioka-NDE R. Davis, M. Koshiba (SK), R. Giacconi NP: 2002 Neutrinos sind massive Teilchen m(ν) µτ 2 ~ 2.5 x 10-2 ev

20 Charme P. Musset and J.P. Vialle, Neutrino Physics with Gargamelle

21 P. Musset and J.P. Vialle, Neutrino Physics with Gargamelle CHARME

22 Bitte beschäftigen Sie sich mit folgenden Begriffen aus dem Gebiet Schwache Wechselwirkung : 1) Universalität 2) Helizität eines Teilchens und Helizitätsunterdrückung 3) Cabibbo-Winkel 4) Neutraler Strom / geladener Strom (mit Beispielen) 5) Antiteilchen 6) Leptonenzahl 7) Flavour-ändernde neutrale Ströme (wie sähen möglich Zerfälle aus) 8)Entdeckung des tau-leptons was war die Idee? 9) Messung der Polarisation einer γ-strahlung (Goldhaber-Experiment)