Kern- und Teilchenphysik SS2012

(1)

IKP in KCETA KT2012 Johannes Blümer

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und

nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA

www.kit.edu

KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und

nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA

www.kit.edu

Kern- und Teilchenphysik SS2012

Johannes Blümer

Vorlesung-Website

1

(2)

e

⁺

e

^–

-Streuung

QZ der Quarks

WQ und Referenzprozess Quarkfarben

qg-WW, Gluonjets

Resonanzen als q-anti_q-Systeme W, Z-Bosonen

Multiplizitäten

Bemerkungen zum WQ u. a., Hinweise auf NEUES Symmetrien und Erhaltungssätze

Einführung

Diskrete Symmetrieoperationen: C, P, CP, CPT

ausführlicher: Sturz der Parität, Zeitumkehr, CP-Verletzung CPT-Theorem

Symmetrieeigenschaften der 3 Wechselwirkungen

v16 19. Juni 2012 e+e–-Kollisionen cont’d; Symmetrien und Erhaltungssätze

2

Erinnerung an v15

(3)

KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

10 ^-8 10 ^-7 10 ^-6 10 ^-5 10 ^-4 10 ^-3 10 ^-2

1 10 10 ²

σ[mb]

ω

ρ

φ

ρ^! J/ψ

ψ(2S)

Υ

Z

10 ^-1 1 10 10 ² 10 ³

1 10 10 ²

R ^ω

ρ

φ

ρ^!

J/ψ ψ(2S)

Υ

Z

√s [GeV]

3

WQ in e+e–

Kollisionen

Wirkungsquerschnitt... ▶

auf rein leptonischen Referenzprozess mit Myonen normiert...:

Evidenz für “farbige Quarks”, nc = 3

R = (e⁺e ! Hadronen) (e⁺e ! µ⁺µ ) =

P

f (e⁺e ! q_fq¯_f)

(e⁺e ! µ⁺µ ) = n_c X

f

z_f²

(4)

Multiplizität geladener Teilchen

4

■ Anzahl von geladenen Teilchen pro Kollision

mittlere geladene Multiplizität

steigt ≈ logarithmisch

KIT-IEKP 21 00.00.0000 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 9

Schwerpunktsenergie

[Quelle: Particle Data Booklet]

... steigt ungefähr logarithmisch an...

(5)

e

⁺

e

^–

-Wirkungsquerschnitt

5

(6)

e

⁺

e

^–

-Wirkungsquerschnitt

5

(e

⁺

e ! µ

⁺

µ ) = 21.7

_(E^nbarn₂_/GeV2)

(7)

e

⁺

e

^–

-Wirkungsquerschnitt

5

(e

⁺

e ! µ

⁺

µ ) = 21.7

_(E^nbarn₂_/GeV2)

Bemerkungen zu:

• ^1/E

²

- Verhalten des WQ

• Bhabha-Streuung

http://www.physics.usu.edu/Wheeler/QFT/PicsII/QFT10Mar05Bhabha.pdf

• Luminosität von Kollidern

http://hepunx.rl.ac.uk/~adye/thesis/html/node9.html

• Leptonuniversalität

• Größe der Leptonen < 10

^–18

m

• Hinweise auf NEUES?

(8)

√ QED ok

Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie in e

⁺

e

^–

6

PETRA, Wu et al. 1984 [Perkins 6.8]

(9)

√ QED ok

Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie in e

⁺

e

^–

6

WQ und Interferenzen

DESY PETRA

Erste Hinweise auf

"elektroschwache" Interferenz:

für ɣ – Austausch

Vorwärts – Rückwärts – Asymmetrie + A_FB · cosθ

σ _∝ ₁₊ _cos²θ dΩ

d

2 2

) 3 (

4 c

tot παs h

σ =

Lepton – Universalität:

σ(√s) gleich groß für µ und τ



 punktförmig  reiner ɣ – Austausch

Asymmetrie durch ɣZ – Interferenz – Term

(|Z|² vernachlässigbar) 3s

Z⁰

2

ɣ + Z

QED-

Erwartung

(10)

√ QED ok

Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie in e

⁺

e

^–

6

kein Beitrag zum totalen WQ

ɣ Z – Interferenz

■

σ_tot : QED (Quantenelektrodynamik) gibt sehr gute Beschreibung gleiches Verhalten für e, µ, τ : "alle Leptonen sind gleich"

(außer in Masse, Lebensdauer) : Lepton - Universalität

■

: QED beschreibt Daten nicht sehr gut.

Es gibt eine Vorwärts–Rückwärts–Asymmetrie:

Hinweis auf Beitrag von Z⁰ – Austausch (massives Spin-1 –

Teilchen mit m = 91 GeV) dΩ

dσ

2

ɣ

+

Z

+ +

QED – WQ ɣZ – Interferenz Z⁰ – WQ

(sehr klein)

=

Asymmetrie

(liefert aber keinen Beitrag zum integrierten Wirkungsquerschnitt)

Erklärung: schweres Austauschteilchen der Schwachen WW macht sich bemerkbar; Schw. WW ist paritätsverletzend...

sehr klein bei 35 GeV

WQ und Interferenzen

DESY PETRA

Erste Hinweise auf

"elektroschwache" Interferenz:

für ɣ – Austausch

Vorwärts – Rückwärts – Asymmetrie + A_FB · cosθ

σ _∝ ₁₊ _cos²θ dΩ

d

2 2

) 3 (

4 c

tot παs h

σ =

Lepton – Universalität:

σ(√s) gleich groß für µ und τ



 punktförmig  reiner ɣ – Austausch

Asymmetrie durch ɣZ – Interferenz – Term

(|Z|² vernachlässigbar) 3s

Z⁰

2

ɣ + Z

QED-

Erwartung

(11)

nach H. Weyl, R.P.Feynman:

„… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“

7

Symmetrien und Erhaltungssätze

(12)

„… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“

7

Symmetrien und Erhaltungssätze

Objekt, Naturgesetz Transformation

Invarianz

(13)

„… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“

7

Symmetrien und Erhaltungssätze

Invarianz

t + Δt

X

(14)

„… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“

7

Symmetrien und Erhaltungssätze

Ordnungsprinzipien Vorhersagen

Zusammenhang mit unbeobachtbaren Größen Erhaltungssätze

Struktur der Wechselwirkungen Noether-Theorem

Invarianz

t + Δt

X

(15)

Rotationssymmetrie

8

60° Rotationssymmetrie einer Schneeflocke

(16)

Rotationssymmetrie

8

60° Rotationssymmetrie einer Schneeflocke

völlige

Rotationssymmetrie:

es gibt keine

ausgezeichnete

Richtung

(17)

Objekte mit “Händigkeit”

9

(18)

KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA 10

Symmetrien ↔ Erhaltungsgrößen

Symmetrieoperationen unbeobachtbar Erhaltungsgröße Translationen im Raum absoluter Ort Impuls

Drehung im Raum absolute Richtung Drehimpuls Translation in der Zeit absolute Zeit Energie

Eichtransformation (QM) Phase der

Wellenfunktion el. Ladung Raumspiegelung absolute Händigkeit Parität P Materie – Antimaterie Materieart C-Parität Zeitumkehr absolute Zeitrichtung T-Parität

Klassische

kontinuierliche Beispiele

QM

Diskrete

Operationen

(19)

Symmetrien ↔ Erhaltungsgrößen

Klassische

QM

Diskrete

Operationen

Symmetrien ↔

Ê ^r ^h â ^l ^t û ⁿ ^g ^s ^g ^r ^ö ^ß ê ⁿ

Symmetrieoperationen unbeobachtbar Erhaltungsgröße

T r a n s l a t i o n e n im Raum absoluter Ort Impuls

Drehung im Raum absolute Richtung Drehimpuls

Translation in der Zeit â ^b ^s ô ^l û ^t ê ^Z ê ⁱ ^t Energie Eichtransformation (QM) Phase der Wellenfunktion el. Ladung

K la s s i s c h e

QM

KIT-IEKP 3 03.01.2012 Michael Feindt , Moderne Physik III, Vorlesung 11

Raumspiegelung absolute Händigkeit Parität P

Materie – Antimaterie Materieart C-Parität

Zeitumkehr absolute Zeitrichtung T-Parität

P:

C:

T:

;

; t

t

Q Q

r r

−

→

−

→

−

→ r r

;

; r

r

B B

p p

r r

→

−

→

−

→

p

S

S r r

−

→

−

→

Diskrete Operationen

(20)

Symmetrien ↔ Erhaltungsgrößen

Klassische

QM

Diskrete

Operationen

Symmetrien ↔

Ê ^r ^h â ^l ^t û ⁿ ^g ^s ^g ^r ^ö ^ß ê ⁿ

Symmetrieoperationen unbeobachtbar Erhaltungsgröße

T r a n s l a t i o n e n im Raum absoluter Ort Impuls

Drehung im Raum absolute Richtung Drehimpuls

Translation in der Zeit â ^b ^s ô ^l û ^t ê ^Z ê ⁱ ^t Energie Eichtransformation (QM) Phase der Wellenfunktion el. Ladung

K la s s i s c h e

QM

Raumspiegelung absolute Händigkeit Parität P

Materie – Antimaterie Materieart C-Parität

Zeitumkehr absolute Zeitrichtung T-Parität

P:

C:

T:

;

; t

t

Q Q

r r

−

→

−

→

−

→ r r

;

; r

r

B B

p p

r r

→

−

→

−

→

p

S

S r r

−

→

−

→

Diskrete Operationen

Bis ~1957 wurden die Naturgesetze für symmetrisch unter P gehalten...

(21)

Das θ-τ-Puzzle

Paritätseigenwerte von Teilchen?

(22)

K ⁺ ! ⇡ ⁺ ⇡ ⁺ ⇡ K ⁺ ! ⇡ ⁺ ⇡ ⁰

12

Das θ-τ-Puzzle

Pb

K⁺

π⁺ γγ

2 e⁺e^– Paare

gleiche Masse, Lebensdauer...

verschiedene Paritäten im

Endzustand?

(23)

Paritätsverhalten phys. Größen

13

Parität verschiedener Größen

Impuls (Polarvektor)

Drehimpuls (Axialvektor)

1 - _Vektor

1

⁺

Axialvektor

L p

r p

r P

L L

P

p r

L

r r r

r r

r r r

=

×

=

−

×

−

=

×

=

×

=

) (

) ˆ (

ˆ

p p

P

x x

P

r r

−

=

−

= ˆ

ˆ

Energie (Skalar)

Helizität (Pseudoskalar)

0

⁺

Skalar

0 - Pseudoskalar

L p

r p

r

P ˆ ( × ) = ( − ) × ( − ) = × =

E E

P ˆ ( ) =

λ λ

λ

−

=

−

⋅

=

⋅

=

⋅

=

⋅

=

) (

)

ˆ ( P s p P s P p s p

P

p s

r r

r r r r

Parität verschiedener Größen

Impuls (Polarvektor)

Drehimpuls (Axialvektor)

1 - _Vektor

1

⁺

Axialvektor

L p

r p

r P

L L

P

p r

L

r r r

r r

r r r

=

×

=

−

×

−

=

×

=

×

=

) (

) ˆ (

ˆ

p p

P

x x

P

r r

−

=

−

= ˆ

ˆ

Energie (Skalar)

Helizität (Pseudoskalar)

0

⁺

Skalar

0 - Pseudoskalar

L p

r p

r

P ˆ ( × ) = ( − ) × ( − ) = × =

E E

P ˆ ( ) =

λ λ

λ

−

=

−

⋅

=

⋅

=

⋅

=

⋅

=

) (

)

ˆ ( P s p P s P p s p

P

p s

r r

r

(24)

Sturz der Parität

14

Tsung-Dao Lee Chen Ning Yang Question of Parity Conservation in Weak Interactions

T. D. Lee and C. N. Yang, Phys. Rev. 104 (1956) 254

Nobelpreis 1957

“In strong interactions, ... there were indeed many experiments that established parity

conservation to a high degree of accuracy..."

1956: T.D. Lee & C.N. Yang schlagen experimentelle Tests vor, ob die Parität P durch die schwache Wechselwirkung verletzt wird

“to decide unequivocally whether parity is conserved in weak interactions, one must perform an experiment to determine

whether weak interactions differentiate the right from the left”

"for their penetrating investigation of the so-called parity laws which has led to important discoveries regarding the elementary particles"

李政道

杨振宁

(25)

Wu-Experiment zur Paritätsverletzung

15

ß-Elektronen

Spiegel

ß-Elektronen

Co-60 Kern

gespiegelte Chien-Shiung Wu Welt

(1912-1997)

Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay

C. S. Wu et al., Phys. Rev. 105 (1957) 1413

C.S. Wu et al. untersuchen den Kern-ß-Zerfall von

⁶⁰

Co zum Test der Erhaltung der Parität in der schwachen Wechselwirkung

Fragestellung: gibt es eine Vorzugsrichtung der beim ß-Zerfall emittierten Elektronen relativ zum Spin des

⁶⁰

Co Kerns?

ja: Parität ist verletzt, nein: Parität ist erhalten

e

Ni

Co ( 5

^

) 

⁶⁰

* ( 4

^

) 

^

 

60

techn. Herausforderung:

Ausrichtung der

⁶⁰

Co-Kerne bei sehr tiefen Temperaturen:

Prinzip der „adiabatischen Entmagnetisierung“

吴健雄

(26)

Wu-Experiment

16

flüssig Helium flüssig

Stickstoff

Magnet

Anthracen Zähler Vakuum- verbindung Licht-

leiter Spule B-Feld

Ce-Mg- Salz

Magnet

PMT

60Co- Probe mit Salz

(27)

Wu-Experiment

16

Magnetfeld

Kernspin J

Magnetfeld

60Co

B

e^- e^-

B

Kernspin J

60Co

B

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Zeit t [Minuten]

B

relative Zähl rate

1.20 1.10 1.00 0.90 0.80

Probe voll depolarisiert

Erwärmung

flüssig Helium flüssig

Stickstoff

Magnet

Anthracen Zähler Vakuum- verbindung Licht-

leiter Spule B-Feld

Ce-Mg- Salz

Magnet

PMT

60Co- Probe mit Salz

(28)

µ

⁺

-Zerfall

17

/2) in

p

_e

S

_µ

S

_e

e

⁺



_e

 ^_

_µ

RH LH

RH

erlaubt erlaubt

(29)

µ

⁺

-Zerfall

17

/2) in

p

_e

S

_µ

S

_e

e

⁺



_e

 ^_

_µ

RH LH

RH

erlaubt erlaubt

p

_e

S

_µ

S

_e

e

⁺



_e

 ^_

_µ

LH

LH RH

verboten

(30)

µ

⁺

-Zerfall

17

/2) in

p

_e

S

_µ

S

_e

e

⁺



_e

 ^_

_µ

RH LH

RH

erlaubt erlaubt

p

_e

S

_µ

S

_e

e

⁺



_e

 ^_

_µ

LH

LH RH

verboten

0 10 20 30 40 50

Energie [MeV]

N e

⁺

aus

µ

⁺

-Zerfall

Spektrum: “e

⁺

geht bevorzugt mit max.

Energie entgegen

den Neutrinos weg”

(31)

Pionzerfall

18

Beispiele für Paritätsverletzung

2) Pionzerfall

8000 1 )

(

)

( =

→ Γ

−

ν

µ

µ π

ν

π ^e

_e

obwohl Phasenraum viel größer

ist für e

⁻

ν

_e

ν

e

µ

−

ν

_µ

^e

⁻

RH: m=0 RH RH: m=0 RH

RH + LH: m≠0 RH + LH: m≠0

1-β

_µ

= 0.72 erlaubt 1-β

_e

= 3·10

^-5

erlaubt, aber unterdrückt

π π

CMS der Pionen Spin 0

Helizität:

µ

−

ν

_µ

^e

⁻

ν

_e

LH: m=0 LH RH + LH: m≠0

unterdrückt

verboten, LH ν

_µ

verboten, LH ν

_e

für v=0 nicht definiert : 50 % LH, 50%RH

für v=c erhalten: (es gibt keinen Lorentz-Frame, in dem das Teilchen überholt werden kann)

Wahrscheinlichkeit für Helizitätserhaltung: _∝ v c ( _∝ _β )

π π

(32)

Pionzerfall

18

Beispiele für Paritätsverletzung

2) Pionzerfall

8000 1 )

(

)

( =

→ Γ

−

ν

µ

µ π

ν

π ^e

_e

obwohl Phasenraum viel größer

ist für e

⁻

ν

_e

ν

e

µ

−

ν

_µ

^e

⁻

RH: m=0 RH RH: m=0 RH

RH + LH: m≠0 RH + LH: m≠0

1-β

_µ

= 0.72 erlaubt 1-β

_e

= 3·10

^-5

erlaubt, aber unterdrückt

π π

CMS der Pionen Spin 0

Helizität:

µ

−

ν

_µ

^e

⁻

ν

_e

LH: m=0 LH RH + LH: m≠0

unterdrückt

verboten, LH ν

_µ

verboten, LH ν

_e

für v=0 nicht definiert : 50 % LH, 50%RH

für v=c erhalten: (es gibt keinen Lorentz-Frame, in dem das Teilchen überholt werden kann)

Wahrscheinlichkeit für Helizitätserhaltung: _∝ v c ( _∝ _β )

π π

Beispiele für Paritätsverletzung

2) Pionzerfall

8000 1 )

(

)

( =

→ Γ

−

ν

µ

µ π

ν

π ^e

_e

obwohl Phasenraum viel größer

ist für ^e

⁻

ν

_e

ν

e

µ

−

ν

_µ

^e

⁻

RH: m=0 RH RH: m=0 RH

RH + LH: m ≠ 0 RH + LH: m ≠ 0

1-β

_µ

= 0.72 erlaubt 1- β

_e

= 3 · 10

^-5

erlaubt, aber unterdrückt

π π

CMS der Pionen Spin 0

Helizität:

µ

−

ν

_µ

^e

⁻

ν

_e

LH: m=0 LH

RH + LH: m≠0 LH: m=0 LH

RH + LH: m≠0

unterdrückt

verboten, LH ν

_µ

verboten, LH ν

_e

für v=0 nicht definiert : 50 % LH, 50%RH

für v=c erhalten: (es gibt keinen Lorentz-Frame, in dem das Teilchen überholt werden kann)

Wahrscheinlichkeit für Helizitätserhaltung: _∝ v c ( _∝ _β )

π π

(33)

Ladungskonjugation

19

Ladungskonjugation C (C-Parität) : diskrete Symmetrie  multiplikative Quantenzahl, C angewandt auf Felder/Kräfte: B → - B, E → -E, F → F

Teilchen-Antiteilchen Transformation mit der Änderung von allen

ladungsartigen Quantenzahlen: +Q ↔ -Q, +µ ↔ -µ, +B ↔ -B, +S ↔ -S, …

 alle Teilchen mit B, S, Q ≠ 0 sind keine Eigenzustände von C selbst-konjugierte Zustände

neutrale Teilchen (Q = B = S = L = 0) sind Eigenzustände von C mit der Eigenparität +1, -1 da C

²

|> = |>

neutrales 

⁰

:

C |

⁰

> = + | 

⁰

> da 

⁰

→ (kein 

⁰

→  b.r. < 3 ∙ 10

^-8

) J

^PC

(

⁰

) = 0

^-⁺

→

→ → → → →

Photon :

C |> = - |> da Potenziale ( → – , A → –A) bei +Q → -Q J

^PC

() = 1

^--

→ →

(34)

Ladungskonjugation

20

C-Parität von Teilchen - Antiteilchenpaaren :

in Teilchenreaktionen werden oft Teilchen-Antiteilchen-Paare TT erzeugt, diese sind selbstkonjugiert und Eigenzustände von C

T

s

T

C ( )  (  1 )

^^

_

relativer Bahndrehimpuls ℓ, Spin s



^u ^u ^ ^d ^d



 2

0 1



pseudoskalares Pion mit s = 0, ℓ = 0 C = (-1)

⁰

= +1

u u d

d 

 2

 1

-Vektormeson mit s = 1, ℓ = 0 C = (-1)

¹

= -1

(35)

Zeitumkehr (1): in e.m. und starker WW erhalten

21

T-verletzende-Amplitude < 0.3% der T-erhaltenden Amplitude

[Perkins]

P

T

d

Elementarteilchen ein EDM gefunden, ist T verletzt

- Intensive Suche nach dem EDM beim Elektron, Myon, Neutron esonanz) an ultrakalten Neutronen

= 10³² e∙cm

- erzeugt asymmetrische Ladungsverteilung entlang der Spinachse µ - die Spinachse µ ist die einzige ausgezeichnete Achse im Kern

das elektrische Dipolmoment d eines Teilchens muss bei - Atome und Moleküle können ein elektrisches

(diese definiert die Achse, nicht der Spin!)

ein elektrisches

Dipolmoment (EDM) eines kugelsymmetrischen

Teilchens wäre T- verletzend, Limit für

Neutronen < 3e–26 e cm

Kern- und Teilchenphysik SS2012

Kern- und Teilchenphysik SS2012

e

e

-Streuung

QZ der Quarks

WQ und Referenzprozess Quarkfarben

qg-WW, Gluonjets

Resonanzen als q-anti_q-Systeme W, Z-Bosonen

Multiplizitäten

Bemerkungen zum WQ u. a., Hinweise auf NEUES Symmetrien und Erhaltungssätze

Einführung

Diskrete Symmetrieoperationen: C, P, CP, CPT

ausführlicher: Sturz der Parität, Zeitumkehr, CP-Verletzung CPT-Theorem

Symmetrieeigenschaften der 3 Wechselwirkungen

Multiplizität geladener Teilchen

■ Anzahl von geladenen Teilchen pro Kollision

mittlere geladene Multiplizität

steigt ≈ logarithmisch

e

e

-Wirkungsquerschnitt

e

e

-Wirkungsquerschnitt

(e

e ! µ

µ ) = 21.7

e

e

-Wirkungsquerschnitt

(e

e ! µ

µ ) = 21.7

Bemerkungen zu:

• 1/E

- Verhalten des WQ

• Bhabha-Streuung

• Luminosität von Kollidern

• Leptonuniversalität

• Größe der Leptonen < 10

m

• Hinweise auf NEUES?

√ QED ok

Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie in e

e

√ QED ok

Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie in e

e

WQ und Interferenzen

√ QED ok

Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie in e

e

ɣ Z – Interferenz

■

■

+

+ +

=

Asymmetrie

WQ und Interferenzen

„… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“

Symmetrien und Erhaltungssätze

„… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“

Symmetrien und Erhaltungssätze

„… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“

Symmetrien und Erhaltungssätze

„… a thing is symmetrical, if you can do something to it and after you have done it, it looks the same as before …“

Symmetrien und Erhaltungssätze

Rotationssymmetrie

60° Rotationssymmetrie einer Schneeflocke

Rotationssymmetrie

60° Rotationssymmetrie einer Schneeflocke

völlige

Rotationssymmetrie:

es gibt keine

ausgezeichnete

Richtung

Objekte mit “Händigkeit”

Symmetrien ↔ Erhaltungsgrößen

• ^1/E