6. Masse in der starken Wechselwirkung

Ähnliche Dokumente
Zusammenfassung: Die Masse des Elektrons, was wissen wir? 6. Masse in der starken Wechselwirkung

Zusammenfassung: Die Masse des Elektrons, was wissen wir? 5. Masse in der starken Wechselwirkung

Renormierung und laufende Quarkmassen. Beziehung zur Quantenelektrodynamik

VII. Starke Wechselwirkung (QCD)

Elementarteilchenphysik

Quark- und Gluonstruktur von Hadronen. Seminarvortrag SS 2005, Zoha Roushan Betreuer: Prof. M.Erdmann

Bausteine der Materie

Überblick über schwere Hadronen (c,b) Katharina Anna Brodatzki Ruhr-Universität Bochum

6. Das Quarkmodell Vorbemerkungen , S,

Die Entdeckung des Gluons VORTRAG

Quarks, Higgs und die Struktur des Vakuums. Univ. Prof. Dr. André Hoang

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

1. Zusammenfassung: Masse in der klassischen Mechanik. 2. Energie des klassischen elektromagnetischen Feldes

Theoretische Einführung in das Standardmodell der Elementarteilchen. Vorlesung im WS 2008/09 Oliver Bär

Vom Ursprung der Masse

Symmetrie und Dynamik

TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE Wie geht es weiter? Träume und Aufgaben der Teilchenphysiker

Elementarteilchenphysik

1.3 Historischer Kurzüberblick

3.4 Tiefinelastische Streuung

Die dynamische Struktur des Protons

Der Urknall und seine Teilchen- Das Standardmodell

Kern- und Teilchenphysik. Einführung in die Teilchenphysik: Tiefinelastische Elektron-Nukleon Streuung

Qualitative Aspekte des Standardmodells

6. Elementarteilchen

Moderne Experimentalphysik III: Kerne und Teilchen (Physik VI)

Aktuelle Fragen der Teilchenphysik. - Was die Welt im Innersten zusammenhält. - Verschiedene Teilchen-Wechselwirkungen, Wirkungsquerschnitte -1-

Von Quarks, Gluonen und Confinement

Was bedeutet Masse? Ausgewählte Kapitel aus Teilchenpysik und Kosmologie Achim Geiser, DESY + Uni HH

Max Camenzind Akademie HD Mai 2015

Wie arbeitet ein Teilchenphysiker? Das Standardmodell, Detektoren und Beschleuniger.

Kapitel 2. Kurzer geschichtlicher Überblick

Tief-unelastische Streuung in e ± p

Neues vom LHC. Exkursion in die Welt der Elementarteilchen. Elementarteilchenphysik heute Higgs und das Gottesteilchen LHC - Wohin geht die Reise?

Das Standardmodell der Teilchenphysik. Clara Fuhrer

8.3 Tief-unelastische Streuung und die Struktur der Nukleonen

Elementarteilchenphysik

Das Unsichtbare sichtbar machen

Tiefinelastische Streuung am Nukleon

Das Standardmodell der Teilchenphysik

Elementarteilchenphysik

Kerne und Teilchen. Moderne Physik III

Entdeckung der c/b/t - Quarks Seminarvortrag Fakultät für Physik und Astronomie Institut für Experimentalphysik I Hadronenphysik

Kerne und Teilchen. Kernkraft. Moderne Experimentalphysik III Vorlesung 16.

Quarks, Gluonen, Hadronen

Untersuchung der kleinsten Teilchen mit den größten Maschinen

Experimentalphysik VI Kern- und Teilchenphysik Prof. Markus Schumacher ALU Freiburg, Sommersemsester 2010

Experimente der Teilchen und Astroteilchenphysik,

Der Urknall im Labor. Experimente mit schweren Atomkernen bei hohen Energien. Harald Appelshäuser Institut für Kernphysik JWG Universität Frankfurt

Phänomene und Konzepte der Elementarteilchenphysik

Die Entdeckung der W- und ZBosonen am CERN

Unsichtbares sichtbar machen

Moderne Experimentalphysik III: Kerne und Teilchen (Physik VI)

Bausteine des Universums

Atomic Nucleus. Mesons. Nuclei Proton Neutron

Die Suche nach dem Unteilbaren Leptonen & Quarks - unteilbar? Max Camenzind Akademie Ältere Heidelberg 2015

Gluon und Gluonselbstwechselwirkung: 3- und 4-Jet-Ereignisse bei ALEPH

Sprengt der Urknall den Schöpfungsglauben?

Das Standardmodell der Teilchenphysik Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen - SS Felix Metzner

Hadron-Kollider-Experimente bei sehr hohen Energien

Struktur der Materie II (L) Kern und Teilchenphysik

PHYSIK der STARKEN WECHSELWIRKUNG - Phasen und Strukturen -

Die Entdeckung des Gluons

Tests des Partonmodells und Neutrinoexperimente

Caren Hagner und Johannes Haller, Institut f. Experimentalphysik

Schlüsselexperimente: Quarks und Leptonen

GOTTTEILCHEN und WELTMASCHINE

Kerne und Teilchen. Physik VI

Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik

Lagrange-Formalismus und Proca-Gleichung. Literatur: z.b. Ebert, Eichtheorien; Jackson, Classical Electrodynamics

Der Teilchenbeschleuniger. am CERN in Genf

X. Starke Wechselwirkung

Qualitative Aspekte des Standardmodells der Teilchenphysik

Suche nach Uratomen Das Standardmodell SM der Teilchenphysik & das Higgs-Feld. Max Camenzind Senioren Uni Würzburg WS2013

Auf der Suche nach den "elementaren" Bausteinen der Welt

Parton-Modell und pp-kollisionen

Von Farbladungen und Quarkteilchen: die Starke Wechselwirkung. Harald Appelshäuser Institut für Kernphysik JWG Universität Frankfurt

Hands on Particle Physics Masterclass. Oliver Grünberg

Die Welt der Teilchen

Standardmodell der Teilchenphysik

Elementarteilchenphysik I RWTH SS 2007

Moderne Physik: Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik, Kosmologie

Elektrodynamik von Quarks & Hadronen. Hadron-Erzeugung in e + e - Kollisionen. Hadronerzeugung. Hadronproduktion

Experimentelle Untersuchungen zur Struktur des Nukleons

Zusammenfassung der QCD Grundlagen

Die Entdeckung des c-quark

(Quelle:

Standardmodelltests: W- und Z-Bosonen

Supersymmetrie. Der Urknall und seine Teilchen. Simon Kast

Standardmodell der Materie und Wechselwirkungen:

verstehen, was die Welt im Innersten zusammenhält

Tief inelastische Streuung

Frage: was sind die wesentlichen Aussagen der QCD und wie werden sie getestet?

Tief inelastische Streuung

Phänomenologische Grundlagen

Transkript:

5. Vorlesung 6. Masse in der starken Wechselwirkung Grundzüge der starken Wechselwirkung Einführung in die Quantenchromodynamik Renormierung und laufende Quarkmassen Beziehung zur Quantenelektrodynamik Protonstruktur und Protonmasse: Motivation (Übungsaufgabe) Tief inelastische Streuung bei HERA Proton-Strukturfunktion und Partondichten Die Protonmasse (nächste Woche) 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 1

Starke Wechselw.: Quarks und Farbe starke Kraft in Kernwechselwirkungen = Austausch massiver Pionen zwischen Kernen = residuelle Van der Waals-artige Wechselw. p π n Hideki Yukawa (Nobel 1949) moderne Sichtweise: (Quanten-Chromo-Dynamik, QCD) Austausch masseloser Gluonen zwischen Quark-Konstituenten ähnlich zum Elektromagnetismus (Quanten-Elektro-Dynamik, QED) 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 2

Das Quark-Modell (1964) ordne (damals bekannte) Quarks ein in Flavour-Triplett Q=-1/3 Q=2/3 => SU(3) flavour -Symmetrie d u S=0 => alle bekannten Hadronen (Protonen, Neutronen, Pionen,...) sind zusammengesetzt aus zwei oder drei solcher Quarks (Antiquarks) s S=-1 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 3

Das Quark-Modell Baryonen = qqq 2.12.11 Mesonen = qq A. Geiser, Was bedeutet Masse? 4

Farbe Quark-Modell sehr erfolgreich, aber verletzt scheinbar Quantenzahlen (Fermi-Statistik), z.b. ++ => führe neuen Freiheitsgrad ein: Δ = uuu q q q g g g gg g q q g g q 3 Farben -> SU(3) colour qqq = qq = weiss! 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 5

Die QCD-Lagrangedichte, (fast) wie QED Gluon-Feld-Term Quark+Wechselwirkungsterm Quark-Massen-Term: Farb-Index Gluon-Selbstwechselwirkung! sieht harmlos aus (fast wie QED), aber hat es in sich! 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 6

Abschirmung der elektrischen Ladung elektrische Ladung polarisiert Vakuum -> virtuelle Elektron- Positron-Paare Positronen schirmen Elektron-Ladung teilweise ab (Nobel 1965) effektive Ladung/Kraft wird geringer bei großen Entfernungen/kleinen Energien (Abschirmung) wird größer bei kleinen Entfernungen/großen Energien Sin-Itoro Julian Richard P. 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 7 Tomonaga Schwinger Feynman

QCD: Anti-Abschirmung der Farbladung! Quark-Antiquark-Paare -> Abschirmung Gluonen tragen Farbe -> gg Paare -> Anti- Abschirmung! confinement asymptotische Freiheit 1/r 2 ~E 2, 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 8

Die laufenden Kopplungskonstanten QED: laufende e/m Kopplungskonstante: α(q 2 ) = α(q 02 ) 1 - α/3π ln(q 2 /Q 02 ) (siehe 3. Vorlesung) α(0) ~ α(2m e ) endlich QCD: laufende starke Kopplungskonstante: α s (Q 2 ) = α s (Q 02 ) 1 + α s (33-2N F )/12π ln(q 2 /Q 02 ) alternativ: N F = Zahl der Quark-Flavour laufende starke Kopplungskonstante: α s (Q 2 ) = 4π (11-2/3 N F ) ln(q 2 /Λ 2 ) Λ~300 MeV = Energieskala, bei der α s -> 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 9

Vergleich QED / QCD Elektromagnetismus starke Wechselwirkung QED QCD 1 Sorte Ladung (q) 3 Sorten Ladung (r,g,b) Kraft vermittelt von Photonen Kraft vermittelt von Gluonen Photonen sind neutral Gluonen sind geladen (eg. rg, bb, gb) α ist fast konstant α s hängt stark vom Abstand ab confinement-grenzfall: Die zugrundeliegenden Theorien sind formal fast identisch! 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 10

Das effektive Potential für qq-wechselw. confinement asymptotische Freiheit Farb-String reisst, sobald Summe der Massen der resultierenden Hadronen kleiner ist als die Masse von Quark+Antiquark+Farbstring 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 11

Spektroskopie schwerer Quarks Burton Richter Positronium = geb. e + e - -System Charmonium = gebundenes cc -Quark-System (Nobel 1976) Samuel C.C. Ting 1974 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 12

Wie misst man Quarks und Gluonen? Jets! Hadronen q e + e - q Hadronen Beispiel für Hadron- Produktion in e + e - -Annihilationen im JADE-Detektor am PETRA e + e - -Collider bei DESY, Georges Charpak Schwerpunktsenergie 30 GeV. Dicke Linien: rekonstruierte Trajektorien in Driftkammern (Gas-Ionisationskammern). Dünne Linien: Photonen, von Bleiglas- Cerenkov-Zählern nachgewiesen. Zwei entgegengesetzte Jets. (Nobel 1992) 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 13

Entdeckung des Gluons (1979) PETRA bei DESY: suche nach Björn Wiik Paul Söding Günter Wolf Sau Lan Wu TASSO -Ereignis 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 14

Jets in ep-wechselwirkungen (HERA) 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 15

Laufende Kopplungskonstante α s von Jet-Produktion HERA (E,Q ~ 1/r) 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 16

Laufende Kopplungskonstante α s von anderen Messungen (HERA) (LEP, PETRA) 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 17

Das Proton: Einleitung Im Gegensatz zum Elektron: Proton ist zusammengesetztes Teilchen -> Proton-Masse = Summe der Energien der Konstituenten und/oder Felder im Proton, prinzipiell berechenbar! (analog zu Aufgabe 1 und 2) Atome, Moleküle, Kerne,... : Masse ist im wesentlichen = Summe der Massen der Konstituenten, mit kleinen Korrekturen aufgrund der Bindungsenergie/Felder (siehe z.b. Aufgabe 3) Proton: Neu: Masse wird dominiert von Feld/Bindungseffekten. Viele verschiedene Darstellungmöglichkeiten (Näherungen): - NUR Feldenergie oder - NUR effektive Quarkmassen oder - Kombination von nackten Quarkmassen + Bewegungsenergie + Gluon-Felder (dynamische Energie der Gluonen) Yoichiro Giovanni Nambu Jona-Lasionio 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? (Nobel 2008) 18

Auflösung der Proton-Struktur E ~ MeV sehe Proton als Ganzes statisches Quarkmodell, Jerome I. Henry W. Richard E. Valenzquarks Friedmann Kendall (Nobel 1990) Taylor (m ~ 350 MeV ~ Λ QCD ) E ~ m p ~ 1 GeV Auflösung der Valenzquarks und ihrer Bewegung E >> 1 GeV Auflösung des Quark- und Gluon- See s 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 19

Proton-Struktur und Proton-Masse Strategien: 1. Das ganze Proton: Masse = Energiedichte x Volumen? (semi-klassisch, Übungsaufgabe) 2. Statische Valenzquarks: Protonmasse = Summe der effektiven Valenzquarkmassen? (nächste Vorlesung) 3. Dynamische Valenzquarks: Berücksichtigung von effektiven Quark- Quark-Wechselwirkungen -> nächste Vorl. 4. Vollständige Quantenchromodynamik: Berechnung der Proton-Masse aus Dynamik der (See-)Quarks und Gluonen -> brauche Verständnis der Protonstruktur! 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 20

Wie bestimmt man die Protonstruktur? Mikroskop: niedrige Auflösung -> kleines Instrument Auflösung ~ 10-18 m = 1/1000 des Protondurchmessers hohe Auflösung -> großes Instrument 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 21

Wie vermisst man die Struktur eines Objekts? z.b. Röntgen- Strahlung (Hasylab) E~ kev Beschleuniger Probe Streuungsbild -> Struktur eines Biomoleküls 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 22

Im Proton kleines Q 2 (λ gross) mittleres Q 2 (mittleres λ) Heisenberg sche Unschärferelation erlaubt Erzeugung von Gluonen und qq-paaren für kurze Zeit. grosses Q 2 (λ klein) Bei immer größerer Auflösung emittieren die quarks Gluonen, die wieder Gluonen emittieren, die Quarks emittieren, die. bei höchstem Q 2, λ ~ 1/Q ~ 10-18 m 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 23

Tief inelastische ep-streuung bei HERA q e p remnant e p 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 24

2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 25

2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 26

Die Proton-Struktur Strukturfunctionen Quark-(und Gluon)dichten 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 27

F 2 und Gluondichte QCD-Evolution: Seequarks, g->qq positive Steigung Gluondichte (Skalenverletzung) em F 2 -log 10 (x) 5 4 3 HERA F 2 x=6.32e-5 x=0.000102 x=0.000161 x=0.000253 x=0.0004 x=0.0005 x=0.000632 x=0.0008 x=0.0013 x=0.0021 x=0.0032 x=0.005 x=0.008 x=0.013 ZEUS NLO QCD fit H1 PDF 2000 fit x=0.021 H1 94-00 H1 (prel.) 99/00 ZEUS 96/97 BCDMS E665 NMC Valenzquarks q->qg 2 1 x=0.032 x=0.05 x=0.08 x=0.13 x=0.18 x=0.25 negative Steigung x=0.4 x=0.65 0 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 Q 2 (GeV 2 ) 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 28

Kinematische Ebene: HERA vs. LHC Protonstruktur direkt gemessen für groβe Teiler des LHC-Phasenraums LHC Tevatron QCD-Evolution erfolgreich -> zuverlässige Evolution zu groβen Q 2 oder kleinen x HERA fixed target 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 29

Beispiel: Higgs-Wirkungsquerschnitt am LHC Higgs = essentiell für Verständnis der Massen! (später) 2.12.11 A. Geiser, Was bedeutet Masse? 30