(1)RaphaelMameghani Aachen, den 19.Februar2001 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Entdeckung des J= 6 2.1 Brookhaven-Experiment

RaphaelMameghani

Aachen, den 19.Februar2001

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 1

2 Entdeckung des J= 6

2.1 Brookhaven-Experiment . . . 6

2.2 SLAC-Experiment . . . 10

2.3 Quarkonium. . . 17

2.4 Mesonen mitCharm . . . 17

3 Entdeckung des -Leptons 19

4 Entdeckung des 23

5 Das top-Quark 24

6 Nachweis des -Neutrinos 30

7 Schlubemerkungen 33

Zusammenfassung

Indiesem Seminarbeitragwerdendie Experimente vorgestellt,welche

dem Standardmodell der Teilchenphysik zu seiner allgemeinen Anerken-

nung verhalfenundzuderanschlieendenErweiterungmageblichbeige-

tragenhaben.

1 Einleitung

MitdemBeginnderzweitenHalftedesvergangenenJahrhundertskonntedurch

Verbesserung der Metechnik und durch den Bau von Teilchenbeschleunigern

eine schon fast unuberschaubare Anzahl neuer ,,Elementarteilchen" entdeckt

werden,welchesichallerdingsgrotenteilsalskurzlebigundinstabilherausstell-

ten.ZudiesemZeitpunktgabesauchkeintheoretischesKriterium,welcheseine

Klassizierungvon Teilchenals elementar oderals nicht elementar ermoglicht

DereigentlicheVortragwurdeam11.Dezember2000gehalten.

hatte. Viele Physiker waren damals der Meinung, da die starke Wechselwir-

kung doch nicht durch eine Feldtheorie zu erklaren sei und nach vollkommen

neuen Konzepten gesucht werden musse. Ansatze dieser Richtung waren bei-

spielsweisenuclear democracy undbootstrap. Fur einen historischen



Uberblick

verweiseich auf [2 ]und[1 ].

Abbildung1:AuszugderAnfangder70erJahrebekannten,,Elementarteilchen"

[2 ].

Auchbeider schwachenWechselwirkungtraten Problemeauf,welche sich mit

den bisherigen Theorien nicht erklaren lieen. Bisher waren storungstheoreti-

scheBeschreibungennochrelativproblemlosmoglichgewesen,beihohenEner-

gienjedochhaterstStevenWeinbergdurchdieEinfuhrungseinerelektroschwa-

chenFeldtheorieeinen erfolgreichenErklarungsversuchliefern konnen.

Trotz der zunehmendenKomplexitat der Elementarteilchenphysik bliebes bei

denbisherbekanntenvierGrundkraften:Gravitation,Elektromagnetismus,star-

ke Wechselwirkungundschwache Wechselwirkung. Diese Diskrepanzzwischen

derrelativen,,Schlichtheit"derKrafteundderFullescheinbarelementarerTeil-

chen war naturlich hochst unbefriedigendund eslag die Vermutung nahe, die

bisher bekannten Teilchen konnten eine einfachere Substruktur besitzen und

lediglichdieKombinatorik seifurdiegroeDiversitatderneuentdeckten Teil-

chenverantwortlich.HistorischgesehenkonntejaschoneinmaldiegroeVielfalt

an Elementen durch dieinnere StrukturdesAtoms erklartwerden.Auerdem

konnte eine weitere Unterstruktur auch bisher unverstandenePhanomene wie

dasmagnetische Moment desNeutrons zurZwangslaugkeit machen.

Um erst einmal eine gewisse Ordnung in denTeilchenzoo zu bringen, ordnete

mandaherdieneuentdecktenHadroneninMultiplettsan.ImJahre1962wurde

danneinumfassenderesOrdnungsprinzipentdeckt,alsmandiedieLadungsmul-

tipletts inSupermultiplettseinbettete. Diese Anordnung umfasste acht Quan-

tenzahlen,weshalbmandamalsauch vomachtfachen Weg sprach.Die anfang-

licheSkepsisdiesem Modellgegenuber schwand,als 1964 das sovorausgesagte

Omega-Teilchenentdecktwerdenkonnte.DieSystematikdesachtfachenWeges

fuhrte schlielich zum ersten Quarkmodell, welches erklaren konnte, weshalb

nichtalleMoglichkeitenvonMultipletts,diedieserTheorienachmoglichwaren,

von derNatur realisiertwerden.

Schon im Jahre 1963 wurde von Murray Gell-Mann und George Zweig un-

abhangig voneinandereine Erklarungvorgeschlagen.

Abbildung2:MurrayGell-Mann [1 ].

Die Annahme, alle Hadronen seine aus Subpartikeln, vom Gell-Mann Quarks

genannt, zusammengesetzt, fuhrte automatisch zur einfachsten nichttrivialen

Familie des achtfachen Weges. Diese Quarks muten dabei drittelzahlige Ele-

mentarladungen besitzen. Demnach setzen sich Mesonen aus Quark und An-

tiquark zusammen wahrend Baryonen aus drei Quarks bestehen. Durch diese

einfachenRegeln ergaben sich bei einerAnzahlvor dreiverschiedenen Quarks

(up, down, strangeness 1

) alledamals bekannten Hadronen. Das dritte Quark,

dass,benotigtemannurfurseltsameTeilchen,waszueinemneuenVerstandnis

1

Abbildung3: GeorgeZweig[1 ].

derStrangeness(beispielsweisebeiK,,)undderdamitverbundenenhohen

Lebensdauerals Folge derQuarkstrukturfuhrte.

jpi=juudi; jni=juddi; ji=judsi;

j +

i=ju

d i; j i=jdu i; j 0

i=1=

p

2juu d

di;

DieFrage,warumalleHadronenausnurzweibzw.dreiQuarksbestehen,wurde

vonOscar W. GreenbergdurchdieVermutungerklart, jederQuarktypbesitze

drei Erscheinungsformen, welche sich nur bezuglich eines neu einzufuhrenden

Freiheitsgrades,derFarbladung,unterscheiden.DiesozusammengesetztenTeil-

chen muten nach auen hin farblich neutral sein, was die Beschrankung auf

TeilchenauszweioderdreiQuarksaufgrunddes PauliprinzipszuFolge hat.

rot grun blau

u u u q=2/3e

d d d q= -1/3e

s s s q= -1/3e

Auerdem existierennoch diezugehorigenAntiteilchen!

Elementarteilchennachdem Quarkmodell:

Quarks Leptonen

u c (?)

e

d s e

FuhrtmannuneineEichtheoriefurQuarkfarbenein,somumandieExistenz

vonacht masselosenGluonen voraussetzen, welche diestarken Kraftezwischen

denQuarksvermitteln.

Im Gegensatz zur starken Wechselwirkung ist bei der schwachen Wechselwir-

LebensdauerseltsamerTeilchenerklarlich.EinweitersBeispielist derBetazer-

fall, bei dem sich ein Neutron in ein Proton umwandelt und nur Leptonen

emittiertwerden,wonachsich eind-Quarkinein u-Quarkumwandelnmu.

DieseschwacheWechselwirkunglatsichfeldtheoretischdurchEinfuhrungvon

intermediarenVektorbosonen(q =e)als Austauschteilchenerklaren, welche

imGegensatzzudenbisherbekanntenAustauschteilchenselbsteine Massebe-

sitzen. Quarks konnen demnach ihren Typ (Flavor) andern, indem sie solche

Vektorbosonenemittierenoderabsorbieren.DadieseAustauschteilchenauchin

ladungsfreierVariante existieren muten (Z

0

), wie von Glashow 1961 gezeigt,

sollte es (weitgehend unterdruckte) neutrale schwache Strome, die die Stran-

geness



andern, geben, denn nach Cabibbo nehmen d- und s-Quark um einen

Mischungswinkel

c

,,rotiert"an der schwachen Wechselwirkungteil[3 ]:

Leptonen

e

e

;

;

Quarks

u

d

C

=

u

dcos

C

+ssin

C

Damitergibt sich furdasMatrixelement derZ

0

-Kopplung:

2

uu+d

dcos 2

C

+sssin 2

C

| {z }

S=0

+(s

d+sd) sin

C cos

C

| {z }

S=1

Dasin

C

6=0,solltendamitalso strangenessanderndeneutraleStrome existie-

ren.Diese sindaberexperimentellniebeobachtetworden.

VonGlashow,IliopoulosundMaiani(GIM)wurdedeshalbdamalsdieExistenz

einesviertenQuarks(Charm)postuliert.DieBegrundungwarfolgendermaen:

Nimmt man dieExistenz zweierQuark-Doubletts an undfordertdie Orthogo-

nalitatder EigenzustandederschwachenWechselwirkung(s

C

?d

c ),

u

d

C

=

u

dcos

C

+ssin

C

c

s

C

=

u

scos

C

dsin

C

soergebensich zusatzliche Beitrage zum Matrixelement:

2

uu+cc+(d

d+ss)cos 2

C

+(ss+d

d)sin 2

C

| {z }

S=0

+(s

d+sd sd s

d)sin

C cos

C

| {z }

S=1

Dader zweite Term verschwindet, folgt die Nichtexistenz stragenessandernder

neutralerStrome durch die Postulation eines viertenQuarks. Auerdem spra-

chenauch Symmetriegrundefurdas Vorkommen desCharm-Quarks.

Experimentell konnte diese Vermutung im November 1974 bestatigt werden,

was die Richtigkeit des Quarkmodells nahelegte und zu seinem endgultigen

Durchbruchverhalf(Schlagwort: Novemberrevolution).

2 Entdeckung des J=

DasJ= -Teilchen(jcci)wurdeimNovember1974fastgleichzeitigdurchSamuel

C. C. Ting et al. in Brookhaven [7] und Burton Richter et al. am SLAC 3

[8 ]

entdeckt, wofurbeide imJahre 1976 denNobelpreiserhielten.

Schon kurze Zeit spater konnten deren Resultate auch durch die Frascati-

Gruppenbestatigt werden[9 ].

2.1 Brookhaven-Experiment

Das Experiment in Brookhaven fand, wie bereits gesagt, unter Leitung von

Samuel C.C. Tingstatt.

Hierbei wurden Protonen mit einer Energie von 28,5 GeV auf ein Be-Target

geschossen. Untersucht wurdedamalsdie folgendeReaktion [7 ]:

p+Be !e +

+e +Rest

ZudiesemZweckhattemanumdasTargetherumeinzweiarmigesSpektrometer

installiert,dessenFunktionsweisean dieserStelle erlautertwerdensoll [4].

FurdenzwischendenSpektrometerarmeneingeschlossenenWinkelergibtsich

folgenderZusammenhang,wennmanaufgrundderhohenEnegiedieNaherung

E p zulat:

M 2

e +

e

=(P

+ +P )

2

=E 2

+ +E

2

+2E

+

E p

2

+ p

2

2p

+ p

2E

+

E 2p

+

p =2E

+

E (1 cos)

Beidem AufbaudesVersuches wahlteman damalseinen Winkel von14;6 Æ

.

MitE

+

= E = 1=2 E

Strahl

= 14;25GeV ergibtsichsomitM =3;68GeV

3

Abbildung4:Samuel C. C.Ting[21 ].

Abbildung5:Skizze desBrookheaven-Spektrometers [4].

fur das schwerste noch nachweisbare Teilchen, welches bei der Reaktion als

Zwischenprodukt entstanden sein konnte, das anschlieend in Elektron und

Positron zerfallt.

Gelingtes,dieEnergiedesElektronsunddesProtonszumessen,soliefertdiese

Formel auch direkt dieMasse deseventuell neuentstandenen Teilchens.

InjedemderbeidenSpektrometerarmewurdenalserstesdiegeladenenTeilchen

durcheinenMagnetenM

0

ausderStrahlebeneherausgelenkt.DieGeschwindig-

keitmessung dieser geladenen Partikel wurde durch die Verwendung von Che-

renkovzahlernmoglich.HierbeikamenzweiverschiedeneVerfahrensweisenzum

Einsatz. Fur die Bestimmung der Geschwindigkeit positiv geladener Teilchen

verwendete maneinen sogenanntendierentiellen Cherenkovzahler [3].

Abbildung6:Zum



OnungswinkeldesCherenkov-Kegels.

Da

cos= c

n t

ct

= 1

n

mit >

1

n

lat sichdie Geschwindigkeit somit ausdem



OnungswinkeldesWellenfron-

tenkegels bestimmen. Ermittelt man dannnoch durch Einschub einer Blende

unter Verwendung der Zyklotronformel den Impuls des Teilchens, so gewinnt

mandieKenntnisderTeilchenmasse.

DerNachweis derpositivgeladenen Partikelwarnotwendig,umEreignisseder

Art

0

! e +

+e + ausschlieenzukonnen,welchedurchdiehadronischen

RestebeimBeschu desTargetszu erwarten waren.

DienegativgeladenenTeilchenhingegendurchquertenzweiinReihe geschalte-

te Cherenkovzahler (C

0 ,C

e

) mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsschwellen

( >

1

n

) fur das Auftreten von Cherenkovstrahlung. Erst von dieser Gren-

ze an kommt es zu Cherenkovstrahlung. Man spricht daher auch von einem

Schwellenzahler. Durch geeignete Wahl der Medien ist es somit moglich, die

langsamerenHadronenvondenElektronen zu trennen.

Zwischen die beiden Cherenkovzahler setzte man dannnoch einen Ablenkma-

gnetenumdiesezuentkoppelnundsomit denStrahlungsuntergrunddurchSe-

Anschlieendfolgte eineReihegegeneinanderverdrehterProportionalkammern

(A

0

,A,B,C)zurVerfolgungderTeilchenbahnen.HinterjederdieserKammern

befanden sich noch zwei um 90 Æ

gegeneinander verdrehte Ebenen von je acht

Szintillationszahlernzurbesseren ZeitauosungderKoinzidenzschaltung.

NachderletztendieserProportionalkammernwarendannnoch25Bleiglaszahler

zurEnergiemessungmontiert.

Abbildung7:Resultat desBrookhaven-Experimentes[7 ].

Das Resultatist inAbb. 7 dargestellt. Deutlich ist einPeak bei etwa 3,1 GeV

erkennbar. Ein zufalliger, durch den Versuchsaufbau bedingter Eekt konnte

dadurch ausgeschlossen werden, da man Target, Zahlerspannung undStrahl-

intensitat modizierte, sich die Lage des Peaks jedoch nicht anderte. Konse-

quenterweisemute es sich also um ein bisher unbekanntes Teilchenmit einer

Massevon3,1 GeV handeln,welchemman denNamen Jgab.

2.2 SLAC-Experiment

Dieses Experiment fand gleichzeitig mit dem in Brookhaven statt, und zwar

unter derLeitungvonBurtonRichter.

Abbildung8:BurtonRichter [20 ].

Allerdingswar die Vorgehensweise eine deutlich andere. Hierwurden namlich

Elektronen und Positronen, die im Linearbeschleuniger erzeugt wurden, im

Speicherring SPEAR bei einer Schwerpunktsenergie von 8 GeV aufeinander-

geschossen[4 ], [8 ].VonInteresse wardabei derVorgang

e +

+e !X !Hadronen;

+

;e +

e

ZurAnalysederReaktionsproduktewurdederMARKI/SLAC-LBLmagnetic

detectorverwendet, derinAbb.11 skizziert ist.

Die Funktionsweisewar folgende: Zylinderformigumden Strahlbefandensich

Szintillationszahler,welche als Trigger dienten. Zusatzlich stellte man hierdie

Bedingung, da mindestens zwei Teilchen nachgewiesen werden muten, um

Rauschenausschlieenzukonnen.UmdieseZahlerherumwurdenFunkenkam-

mern zur Bahnbestimmung geladener Teilchen angeordnet. Legte man dabei

nochein



aueresMagnetfeldan,soergabsichausderBahnkrummungderTeil-

chenimpuls. Auf diese Kammern folgten weitere Szintillationszahler, wodurch

sich im ZusammenspielmitdenTriggerzahlerndiezum Durchqueren derFun-

kenkammerngebrauchte Zeit bestimmen lie.In Kombinationmitdembereits

bekanntenImpulsresultierte sodieMasse einesTeilchens.

Die anschlieenden Schauerzahler sollten Elektronen, Positronen und Photo-

nenvollstandig abbremsen(Energieverlust nach Bethe-Bloch). Aufgrundeiner

orthogonalenAnordnung derSzintillatorenliesichdabei dieSchauerentwick-

lungsowohllongitudinal als auch transversal beobachten. Durch eine folgende

Eisen/Blei-SchichtwurdennunauchdieHadronenvollstandiggestoppt,soda

indenauerstenKammern nur noch Myonennachgewiesenwerdenkonnten.

Abbildung9:SPEAR- Speicherring[20 ]

Abbildung10: QuerschnittMARK I[10 ].

Abbildung11: MARKI - Detektor[6 ].

Abbildung12:Fotograe MARKI [1 ].

BeiderDurchfuhrungdesExperimenteswurdederEnergiebereichursprunglich

in relativ groen Schritten (200 MeV) durchfahren [6]. Dabei stellte man bei

3,2 GeV einen erhohten Querschnitt fest, wovon man sich anhand Abb. 13



uberzeugenkann.

Abbildung13:EnergiescanmitMARC I[6 ].

Daraufhin untersuchte man denbetroenen Energiebereich detaillierter (Abb.

14) und stellte eine steile, sehr schmale Resonanz bei 3,096 GeV fest. Als Er-

klarungergabsichauchhiereinneuesTeilchen,welchesindiesemFall getauft

wurde.

Nun, weshalbmute es sichdabei um einneues Teilchenhandeln? Ein Grund

warder, da zum damaligenZeitpunktschon alleKombinationender dreibe-

kanntenQuarksentdecktwaren.AllerdingsistdasnochkeinwirklicherBeweis.

BetrachtetmandenmyonischenWirkungsquerschnitt,solatsichkurzvordem

Peak ein Minimum erkennen, was auf die Interferenz zweier Wahrscheinlich-

keitsamplitudenhinweist(Abb. 15).Esmute alsoeinTeilchenmitdenselben

Quantenzahlen wiedasPhoton aufgetreten sein,soda dieZerstrahlung inei-

nesdieserbeidenTeilchenprinzipiellnichtvonderindasandereunterscheidbar

ist [4],[3 ].

Auerdembedeutetdiegeringe Resonanzbreite 4

eine relativhoheLebensdauer

desentdecktenTeilchens.DieErklarunghierfurliefertdieZweig'scheRegel:Aus

4

DieBreitedesPeaksimDiagrammistdurchdieAuosungderApparaturgegeben.Die

wirkliche Breite lat sich durch Integration der Breit-Wigner Formel und anschlieendem

Abbildung14: - Resonanz[4 ].

Abbildung15:Interferenz von und .

energetischenGrundenist derdirekte Zerfalldesjcc i beispielsweisein(jc

di)+

(jc di) nichtmoglich.DieGesamtmasse derZerfallsproduktewaregroeralsdie

des ursprunglichenTeilchens.Es bleibt daher nur die Moglichkeit des Zerfalls



uberunterdruckte Kanale,d.h. dieZerstrahlunginGluonen[2 ],[3].Sieheauch

Abb.16.

Abbildung16: SkizzezurZweig'schenRegel [2].

Die Anzahl der ausgetauschten Gluonen betragt mindestens zwei, da es sich

um ein Farbsingulett handelnmu. Zusatzlich ist fur die Ladungskonjugation

C = 1 zu fordern, da das ja die gleichen Quantenzahlen wie das Photon

hat,weshalbdieZahlderausgetauschtenGluonen(C

Gl uon

= 1)ungeradesein

mu,da dieseQuantenzahlmultiplikativist.

FurdiehoheLebensdaueristalsodieTatsache verantwortlich,da das nicht

direktzerfallen kann, wassichnurdurch dieEinfuhrungeinesneuen Teilchens

jcc ierklarenlat.

2.3 Quarkonium

Schon aus der Quantenelektrodynamik (QED) sind Partikel bekannt, die sich

auseinem Teilchenundseinem Antiteilchenzusammensetzen. Es handeltsich

dabeiumdasPositronium(e +

+e ).NunexistiereninderQuantenchromody-

namik (QCD) Gebilde, die eine gewisse Analogie zum Positroniumaufweisen,

bespielsweise = jssi undJ= = jcc i.

Unterschiede desQuarkoniumszumPositronium[2]:

DieGroe desGebildesist inetwa umdenFaktor10 5

kleiner.

DieMasse hingegenist 10 3

{ 10 4

malso gro.

AnstattderelektromagnetischenWechselwirkungsindhierFarbkraftefur

dieBindungverantwortlich.

AusdiesemGrundesprichtmanhiermanchmalauchvon,,AtomenausQuarks",

furden konkreten Fall (J= = jcci) ist die Bezeichnung Charmonium

 ublich.

ImGegensatz zu jd

d i, juui undjssi ist hier die Masse deutlich groer als die

Bindungsenergieundsomit einenichtrelativistische Rechnung moglich.

Nunist bekannt, da das Positronium angeregte Zustande besitzt. Esist also

aufgrund der gerade geschilderten Analogie die Existenz ebensolcher angereg-

ter Zustande des Charmoniums zu erwarten. Kurz nach der Entdeckung des

J= machtemansichauf dieSuche nachdiesenundwurde,ebenfallsmitdem

MARKI-Detektor,fundig.DieLagederentsprechendenResonanzenistinAbb.

17zu erkennen.

Eine prazise Messung der Spektralliniengelang amSLAC mitdem sogenann-

ten Kristallball-Detektor (Abb. 18), bei dem 732 NaJ-Kristalle als Szintillati-

onszahlersternformigumdie Kollisionszoneangeordnet waren, womit sichdie

Winkelverteilung und die Energie der beim



Ubergang freigesetzten Photonen

bestimmen lie.

DieangeregtenZustandetragendieBezeichnungen 0

; 00

; 000

;:::,derGrund-

zustandtragt jedoch weiterhindenDoppelnamenJ= .

Abbildung19 zeigejedoch,soeinMitgliedderForschungsgruppeamSLAC[6],

die,,bessere"WahlihrerBezeichnung ;-)

2.4 Mesonen mit Charm

Wie bereits erwahnt ist das J= relativ langlebig, da es aus energetischen

GrundennichtdirektinMesonenmitoenemCharmzerfallenkann.DasChar-

moniumselbst besitzt nurverdeckten Charm,da der Gesamtcharm durchdas

Antiteilchenverschwindet.EinZerfalldesJ= istnurmoglich,indemdieses in

Gluonenzerstrahlt, auswelchendanndieMesonen entstehen.

AllerdingsistbeiangeregtenZustanden(ab 000

)derdirekteZerfallenergetisch

erlaubtundesentstehen,,charmante"Mesonen (D-Mesonen, F-Mesonen 5

).

000

!D 0

D 0

;D +

D

5

IndermodernenLiteraturwerdendieseauchmitD

S

bezeichnet.

Abbildung17: Charmoniumspektrum[2].

Abbildung18:Kristallball- Detektor[2 ].

Abbildung19:Zerfall des 0

[6 ]

Siehedazu auch nocheinmalAbb.16.

DieseMesonen konnendann jedoch wegen Erhaltung derQuantenzahlCharm

nicht mehr stark, sondern nur noch schwach zerfallen (der Flavor ist ja nur

bezuglich der starken Wechselwirkung eine Erhaltungsgroe), was eine ver-

gleichsweisehoheLebensdauervonMesonen mitoenemCharmzurFolgehat.

Denngenauso,wieuschwachindzerfallenkann,kanncschwachinszerfallen.

3 Entdeckung des -Leptons

Im Jahre 1975 wurde durch die Forschungsgruppe vom M.L. Perl 6

am SLAC

einneuesLeptonentdeckt,welchemdieBezeichnung gegebenwurde[11 ].Den

NobelpreiserhieltM.L.Perl dafurzwanzig Jahre spater.

Von besonderemInteressewardieReaktion

e +

+e !e

+

+mind.2 unentdeckte Teilchen

Abzuglich des Untergrundes konnten damals insgesamt 64 solcher Ereignisse

6

M. L. Perl hatauch inderForschungsgruppevonB. Richtermitgewirkt, welche das

entdeckthat.SchondamalshaterindenVersuchsdatennachHinweisenfurdieExistenzeines

Abbildung20: M.L.Perl [20 ].

entdecktwerden.AlseinzigerealistischeErklarungkamdamalsdieProduktion

einesbisherunbekannten Leptons inFrage:

7

e +

+e ! +

+

+

!e +

+

e +

! +

+

bzw.

+

+

+

e +

+

HierwurdewiederderSLAC-LBL magneticdetector verwendet,mitdemauch

das entdeckt worden war, allerdingsdiesmal um mehrere Myonenkammern

erweitert,dadieUnterscheidungvonElektronenundMyonenbeidengesuchten

Ereignissenbesonders wichtigwar.

Es handelte sich namlich mit hoher Wahrscheinlichkeit um Elektronen, wenn

diePulshoheimSchauerzahlergroeralsdiebei0,5GeV-Elektronenwar,wobei

diePositionimSchauerzahlermitderBahnbestimmungubereinstimmenmute,

um Photonen auszuschlieen. Auerdem durften die Myonenkammern nichts

nachweisen.

Die Myonen wiederum sollten naturlich in den Myonenkammern detektiert

werden (welche von Pionen nicht erreicht werden konnen, da bis dahin ihre

1,67-fache Absorptionslangeliegt).Auerdem warenindiesemFall nurgeringe

PulshohenindenSchauerzahlernerlaubt.

Wiemananhandvon Abb.22 erkennenkann,lieensichMyonenundElektro-

nendurchdie Schauerzahlergutunterscheiden.Die WahlderGrenze zwischen

denbeidenBereichenwurdebei70gewahlt,was0,5GeV-Elektronenentspricht.

7

TheoretischwarenauchnochgeladeneBosonenmoglichgewesen.

Abbildung21:MARK IDetektor fur-Nachweis [12 ].

Abbildung22:Pulshohe im Schauerzahler[10 ].

Die Auswertung soll hieram konkreten Beispiel von p

s = 4;8 GeV skizziert

werden /citee:

Insgesamt wurden25.300 EreignissemitzweinachweisbarenZerfallsprodukten

beobachtet. Dabeihandeltessichzwarhauptsachlichume +

+e !e +

+ e

bzw.

+

+ ,aberauch hadronische unddiegesuchten Ereignissebefanden

sich darunter.

Durch dieForderungen,dadereingeschlossene WinkelinderEbenezumMa-

gnetfeldkleiner als160 Æ

seinsollte undderMindestimpuls0,63 GeV betragen

mute, lie sich diese Gesamtzahl auf 24 Ereignisse der Art +e mit Ge-

samtladung 0 reduzieren, wobei sich der Untergrund auf 4;71;2 Ereignisse

abschatzen lie.

Abbildung23:Nachweis des [11 ].

MitentsprechenderVorgehensweisenbeianderenEnergienkammanzu demin

Abb. 23 gegebenen Resultat. Damit mute das neu entstandene Teilchen eine

Massevon1,6 {2,0 GeV besitzen.

Anmerkung: diese Interpretation war zunachst sehr umstritten, besonders da

zudiesem Zeitpunktnochkeine Mesonen mitoenemCharm gefundenwaren.

Endgultig konnte das Ergebnis daher erst in den folgenden Jahren bestatigt

werden.

DieKosequenz derEntdeckungfurdieQCD war,da eine weitereFamilievon

LeptonenundQuarksexistieren mute.

Quarks Leptonen

u c t (?)

e

(?)

d s b (?) e

Tabelle1: Erweiterungumeine Familie.

4 Entdeckung des

Durch Leon M. Lederman und seineMitarbeiter wurde1977 das (jb

b i) ent-

deckt[5 ], [13 ].

Abbildung24:LeonM. Lederman [18].

Diebeidieser Arbeit von ihnenuntersuchteReaktion war:

p+(Cu,Pt) ! +Rest

!

+

+

Dabei betrug die Energie der auf das Target aus Cu oder Pt geschossenen

Protonen400 GeV,womit p

s=28 GeV folgt.

DenschematischenAufbau zeigt Abb. 25.Der einfallende Strahlwurde durch

einenWolframblock gestoppt. JederderbeidenSpektrometerarme begannmit

einem5mlangenBe-Absorber,welcherdie Myonenpassierenlieunddiemei-

sten Hadronen herauslterte. Im Absorber gestreute Teilchen wurden durch

einenKollimatorabgefangen. Durch einMagnetfeldsowieanschlieendenPro-

portionalkammern und Hodoskope wurde der Impuls gemessen, woraufhin im

Anschlu eine Cherenkovschwelle von 5 GeV zu passieren war. Danach wur-

de durch einen weiteren Ablenkmagneten, diesmal massiv aus Eisen bei einer

Langevon1,8m,eineweitereImpulsmessungvorgenommen.WeitereProportio-

nalkammernundHodoskopefolgten.KurzvordemEndeinstalliertemaneinen

weiterenEisenabsorbersowiedieletztenProportionalkammernundHodoskope.

Die Gesamtlange eines Spektrometerarmes betrug damit 30m, an deren Ende

nur noch Myonenubrig bleiben sollten. Im Prinziphandelte essich somit um

eineVielfachkoinzidenzschaltung.

Bei etwa 9,5GeV konnte einWirkungsquerschnittfestgestellt werden, welcher

deutlich uber dem Untergrund lag (siehe Abb. 26, 27). Auch bei Variation

der Apparaturparameter blieb die Lage des Peaks unverandert. Analog dem

Brookhaven-Experiment konnte man hier somit ein neues Teilchen ( =jb

bi)

Abbildung25:Spektrometervon Lederman [13 ].

Auch indiesem Fall wurde ein Anregungsspektrum des sogenannten Bottomi-

ums 8

erwartet,welchesbeispaterenVersuchenbestatigt werdenkonnte[2],wie

Abb.28 (ausCESR-Daten) zeigt.

5 Das top-Quark

Mitdemtop-Quark(t)konnte1994-95amFermilabdurchdieCDF-unddieD0-

Collaborationen dasletzte noch verbliebeneQuarkentdeckt werden. Bei einer

Schwerpunktsenergie von p

s = 1;8 TeV wurde folgende Reaktion untersucht

(siehezurIllustrationauch Abb. 30):

p+p !t+

t+X

t !W +

+b

t !W +

b

Sowohldieb-QuarksalsauchdieeventuellenhadronischenZerfallederBosonen

lieen sich durch die Entstehung sogenannter Jets, einer Kaskade von Hadro-

nen,nachweisen.Dieentstehenden W-Bosonensolltennun entwederleptonisch

(e +

e

, +

,::: )oderhadronischzerfallen.DabeiliegtdieWahrscheinlich-

keit,dabeideWsinElektronenoderMyonensowieNeutrinoszerfallenbei5%,

in 30% der Falle zerfallt ein W in gerade genannte Leptonen und das andere

inHadronen und mit der verbleibenden Wahrscheinlichkeit von 65% zerfallen

beide W-BosonenhadronischodermindestenseinZerfall inein ndetstatt 9

.

8

InderLiteraturndetsichauchdieBezeichnungBottomonium.

9

Da das haughadronisch zerfallt, behandelt manesinder Praxis auch



ublicherweise

Abbildung27:-PeakohneUntergrund [13].

Abbildung28: Termschemades Bottomiums[2 ].

Abbildung29:Angeregte -Zustande[5 ].

Aufgrunddes geringeren Untergrundes hat man sich auf der Suche nach dem

top-Quarkauf dieersten beiden Fallebeschrankt.

Als Signatur legte man dazufest, da mindestenszwei W-Bosonen durch ihre

ZerfallsproduktefestgestelltwerdensolltenodereinW-Bosonzuzuglichminde-

stenseinesb-Jets 10

.

Sohatdie CDF-Collaboration folgendeKriterienfestgelegt[14 ]:

Dileptonische Zerfalle:

t

t !b+

b+`

1

1 +`

2

2

,wobeidieGesamtladungderLeptonenverschwin-

den undder transversale Impuls (d.h. der Anteil senkrecht zum Strahl)

dernachweisbaren,geladenenLeptonen(`'s)mindestens20GeVbetragen

mute. Die Neutrinos wiederum solltendadurch, da sie nicht nachweis-

barsind,zu einemtransversalenEnergieverlustvon



uber25GeV fuhren.

Auerdemverlangtemanbeidenb-JetseineEnergieE

T

vonmehrals10

GeV.

Insgesamt konnte die CDF-Collaboration 2 solcher Ereignisse bei einem

Untergrund von 0;56 +0;25

0;13

nachweisen.

Lepton&Jets:

t

t ! b+

b+qq+`, mit einem transversalen Impuls des Leptons von

ebenfalls 20 GeV und einer fehlenden transversalen Energie durch das

Neutrino von mehr als 20 GeV. Die auftretendenJets solltendabei eine

Energievon nicht wenigerals 15 GeV besitzen.

Abbildung31:Anzahldernachweisbaren Jets [14 ]

DasResultatzeigt Abb.31,wonachdenobengenanntenSchnittendieAnzahl

der Ereignisseals Funktion der Jet-Anzahl aufgetragen wurde. Bei einerZahl

vondreiodervierJets konnte eineHaugkeitfestgestellt werden,diemiteiner

10

Diese lassen sichdurchdieauftretendensekundaren Vertizes vondenanderen, ausdem

Signikanz von 2;8



uberdem Untergrund lagundnurdurch dieEntstehung

dest-Quarkserklartwerdenkonnte.AlsmanverschiedeneMassendest-Quarks

indenComputersimulationeneinsetzte, ergab sich diebeste



Ubereinstimmung

mit den experimentellen Daten fur M

top

= 17410 GeV (Abb. 32), wie aus

demkleinenAusschnitt, inwelchem dernegative Logarithmus desLikelihoods

gegendieTopmasse aufgetragenist, erkennen kann.

Abbildung 32: top-Masse: Vergleich Simulation (gestrichelt) und Experiment

(durchgezogen) [14 ].

Dieses Resultat konnte 1995 durch die Fermilab D0-Collaboration mit einer

Abweichung vom Untergrund von 1;9 bestatigt werden,womitdie Gesamt-

signikanzgro genug warunddastop-Quarksomit als entdeckt galt.

6 Nachweis des -Neutrinos

ImSommer2000hatdieDONUT-CollaborationamFermilabdenerstendirek-

tenNachweis des-Neutrinos verkundet [17 ].

11

Untersucht wurde dabeieine Reaktion, diein gewisser Weise dem inversen -

Zerfallentspricht:

+p(Kern) !+n(Kern)

Dazu wurde ein Neutrino-Strahl auf ein ,,Sandwich" aus Eisenplatten und

Emulsionsschichten geschossen, wo dann etwa eines von 10 12

Neutrinos mit

einemEisen-Kernreagierte. Das resultierende geladene Leptonsowie anschlie-

endeZerfallsproduktehinterlieendabeiSpuren indenEmulsionsschichten.

Nach gutdreiJahrenAuswertungsarbeitglaubte man, Spurenvon undZer-

fallsproduktenin derEmulsionentdeckt zuhaben.

11

Abbildung33: DONUT- Detektor[18 ].

Abbildung34:Target desDONUT- Detektors [18 ].

7 Schlubemerkungen

Mit den hier beschriebenen Versuchen sind inzwischen alle Quarks und Lep-

tonen gefunden worden. Aus den LEP-Daten wei man, da keine weiteren

Quark/Lepton-Familienzu erwarten sind.Eingroe Ratselsindjedoch diege-

waltigen Unterschiede der jeweiligen Massen, was auch der Grund dafur ist,

da von der Entdeckung des c-Quarks bis zum experimentellen Nachweis des

t-Quarks



uber20 Jahre vergangensind.

ZumGesamtuberblicksindhierzumSchlueinmaldieaktuellenDaten(Stand

2000)derParticleData Group(PDG) gegeben:

Abbildung35: Quarkmassen

Quark M

min

[MeV] M

max [MeV]

u 1 5

d 3 9

s 75 170

c 1150 1350

b 4000 4400

t 169200 179400

Lepton Masse [MeV]

e 0,511

105,7

1777

e

<0,000003

<0,19

<18,2

Literatur

[1] Quarks. Urstounserer Welt,H. Fritzsch,Piper(1992)

[2] Teilchen, Felder und Symmetrien, diverse Authoren, Spektrum der Wis-

senschaft, ISBN3-922508-29-4, S. 1.,6.,94. (1988)

[3] Introduction to High Energy Physics, D. H. Perkins, Addison-Wesley

(1987)

[4] Entdeckung der J/ Resonanz, Inga Tschiersch, Seminarvortrag am III.

Phys.Inst. RWTH-Aachen, SS 1986

[5] Upsilon - Resonanz, Winfried Honecker, Seminarvortrag am III. Phys.

Inst. RWTH-Aachen, SS 1986

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Rev. Lett.33, 1404 (1974)

[8] DiscoveryofaNarrowResonanceine +

e Annihilation,J.-E.Augustinet

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[9] Conrmation of the New 3.1 GeV-Particle, C. Bacci et al., Phys. Rev.

Lett.33, 1408 (1974)

[10] Measurement ofe +

e !e +

e and e +

e ! +

, J.-E.Augustin et al.,

Phys.Rev. Lett.34, 233 (1975)

[11] Evidence forAnomalous Lepton Productionine +

e Annihilation,M.

L.Perl etal.,Phys.Rev. Lett.35, 1489 (1975)

[12] Electron-Positron Annihilationabove2GeVand theNewParticles,G.J.

Feldman and M. L.Perl, Phys. Reports 19, no.5,233 (1975)

[13] Observation of a Dimuon Resonance at 9.5 GeV in 400-GeV Proton-

Nucleus Collisions,S.W. Herbet al.,Phys. Rev. Lett.39,252 (1977)

[14] Evidence forTop QuarkProductioninppCollisionsat p

s=1.8TeV,F.

Abe et al.,Phys.Rev. Lett.73, 255(1994)

[15] ExistenceoftheTopQuark,F.Abeetal.,Phys.Rev.Lett.74,2626(1995)

[16] ObservationoftheTop Quark,S.Abachietal.,Phys.Rev.Lett.74,2632

(1995)

[17] Physicists Find First Direct Evidence for Tau Neutrino at Fermilab,

http://www.fnal.gov/directorate/public aairs/press releases/donut.html

[18] Homepage Fermilab,http://www.fnal.gov/

[19] Homepage ParticleData Group, http://wwwpdg.cern.ch/pdg/

[20] Homepage StanfordLinearAccelerator,http://www.slac.stanford.edu/

[21] Homepage Nobele-Museum,http://www.nobel.se/