Kern- und Teilchenphysik SS2012

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(1)Kern- und Teilchenphysik. SS2012 Vorlesung-Website. Johannes Blümer. KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA. KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und KT2012 Johannes Blümer nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft. 1. IKP in KCETA www.kit.edu.

(2) v17 21. Juni 2012 Symmetrien und Erhaltungssätze Symmetrien und Erhaltungssätze Einführung Diskrete Symmetrieoperationen: C, P, CP, CPT ausführlicher: Sturz der Parität, Zeitumkehr,. Erinnerung an v16. CP-Verletzung CPT-Theorem Symmetrieeigenschaften der 3 Wechselwirkungen. Schwache Wechselwirkung. 2. KT2012. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(3) Zeitumkehr (1): in e.m. und starker WW erhalten. eilung entlang der Spinachse µ zeichnete Achse im Kern es Teilchens muss bei. [Perkins]. risches d. P. pin!) T. , ist T verletzt m Elektron, Myon, Neutron nz) an ultrakalten Neutronen = 10 32 e ∙ cm. ein elektrisches Dipolmoment (EDM) eines kugelsymmetrischen Teilchens wäre Tverletzend, Limit für Neutronen < 3e–26 e cm 3. KT2012. Johannes Blümer. T-verletzende-Amplitude < 0.3% der T-erhaltenden Amplitude. IKP in KCETA.

(4) CP-Symmetrie in schw. WW erhalten?. 4. KT2012. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(5) CP-Symmetrie in schw. WW erhalten?. s p. ⌫. 4. KT2012. LH. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(6) CP-Symmetrie in schw. WW erhalten?. s. P. p. ⌫. 4. KT2012. LH. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(7) CP-Symmetrie in schw. WW erhalten?. s. P. s. p. p. ⌫. 4. KT2012. LH. Johannes Blümer. ⌫. RH. IKP in KCETA.

(8) CP-Symmetrie in schw. WW erhalten?. s. P. s. p. C. 4. KT2012. p. ⌫. LH. Johannes Blümer. ⌫. RH. IKP in KCETA.

(9) CP-Symmetrie in schw. WW erhalten?. s. P. s. p. C. p. ⌫. LH. ⌫. RH. s p. ⌫¯ 4. KT2012. LH. Johannes Blümer. IKP in KCETA.



(12) CP-Symmetrie in schw. WW erhalten?. s. P. s. p. C. p. ⌫. ⌫. LH. CP. RH. C. s. P. p. ⌫¯ 4. KT2012. LH. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(13) CP-Symmetrie in schw. WW erhalten?. s. P. s. p. C. p. ⌫. ⌫. LH. s. P. p. ⌫¯ KT2012. C. CP s. 4. RH. LH. Johannes Blümer. p. ⌫¯. RH. IKP in KCETA.

(14) ↔   ↔ K  3π . K. ΔS = 2. bei neutralen Kaonen AufCP-Erhaltung dem Quark – Level: Box – Diagramme W. 1963 u,c,t. CP – Erhaltung in der schwachen WW d. d. s. s. W K0 K0 K0 W ■ sin der schwachen WW sind C und P maximal verletzt, aber C,P ≈ erhalten s. K0. u,c,t. u,c,t. d. W. d. Zerfallskanäle:. u,c,t. 2π0 und 3π sind Eigenzustände von CP: 0 ■ K , K haben definierte Strangeness 5 Eigenzustände der starken WW 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 CP π π. = (+1) ⋅ π π. CP π π π. = (−1) ⋅ π π π. 0 und K0 jedoch mischen ■ Durch dieCP schwache WW (2. können K + − − Ordnung) + π π = (+1) ⋅ π π CP π +π −π 0 = (−1) ⋅ π −π +π 0. (mit L=0:). 4.06.2011. = (+1) ⋅ π +π −. = (−1) ⋅ π +π −π 0. 0 und K0 sind keine Zustände mit definierter CP – Parität: KMichael Feindt , Moderne Physik III, Vorlesung 14. KIT-IEKP. CP K 0 = (−1) ⋅ K 0. CP K 0 = (−1) ⋅ K 0. Wenn CP erhalten ist und ein Kaon in 2π (bzw. 3π) zerfällt, muss auch das Kaon eine definierte CP – Parität von +1 oder -1 haben K10 =. 1 2. K 20 =. 1 2. (K (K. 0. − K0. 0. + K0. ) ). mit CP K10 = (+1) ⋅ K10 mit CP K 20 = (−1) ⋅ K 20. K10 zerfällt in 2 Pionen (τ = 8.9·10-11s) K 20 zerfällt in 3 Pionen (τ = 5.2·10-8s) (lebt viel länger, weil der Phasenraum viel kleiner ist) 12 5 14.06.2011 KT2012. Michael Feindt Blümer , Moderne Physik III, Vorlesung 14 Johannes. KIT-IEKP. IKP in KCETA.

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(16) minimize interactions K2' decays were observed from a volume of He gas at nearly STP. CP-Verletzung bei neutralen Kaonen 1964 Water. PhysRevLett.13.138.pdf, 1964 PLAN I. get.. For the K,' decay distribution in m i. VIEW. root. VOLUME. PHYSICAL REVIEW. 1), NUMBER 4. VIEW LETTERS. ~ ---- MONTE-CARLO. VECTOR. ' -0.5 — - 6oo 27 JuLY CALCULATION. 1964. - 500 - 400. behavior shown in Fig. 3 it would- 500be internal target necessary for the y ray to have an average - 200 enerCerenkov of 1 less than MeV with the available -energy gy ext nding to 209 iJ know of no physical MeV. We 500 550 600 550 400 450arrangement. 500 FIG. 1. Plan view of the detector process which would accomplish this. 138 We would conclude therefore that K2 decays to two pions with a branching ratio(b) R = (K2- w++ w )/ = (2.0+ 0.4) 10 -~ where (K, all charged modes)"---" )20 "— 0. 5 the error is the standard deviation.f+ As emphaIOP 90 - 80 sized efalternate explanation of the above,Johannes anyBlümer $0 6 KT2012 Ft. to = 57singular. I. 0. I I l~ I. I. I. IQO. i. I. I. I. MeV. '-. MONTE- CARLO VE CTOR. Cronin 2010fig in compared the 27 JULY 196 LETTERS Monte Carlo calcula the484&m" nature of the in -. 494 involved in the deca efficiency of the ap shown in Fig. 2(a) 30 i &. QATA: 52ll EVENTS. VFEEEPEEEEPz. the K,o decays was this momentum the detector was 300 K. IO. CA. --. I. -. ~,. ewe. ~. IO. LU. 1. LLI. -. IO. p. -- IO. 504&m" & 5 l4. && CALCULATION &. f. form-factor ratio 20 dance 0.47, 0.37, a Eg3 494& m~&respectively. 504 been computed asX w. 0.9996 0.9997 0.9998. 0.9999. 0. I.OOOO. cos 8 IKP in KCETA. iZ.

(17) CP-Verletzung bei neutralen Kaonen ist ein kleiner Effekt, aber eindeutig vorhanden.... 1964. Semileptonic Time re. Damit CPT-Symmetrie gilt, muss eine T-Verletzung vorhanden sein, die die CP-Verletzung genau kompensiert.... Kabir-Theorem (Kabir, PR D2 (1970) 540) Time reversal invariance is violated, if the transformation erste direkte Messung von T-Verletzung: Kabir-asymmetry:. R K0. − R K0. R K0. + R K0. 0 →K t=0 t 0 →K t=0 t. 7. KT2012. Johannes Blümer. 0 →K t=0 t. (t). 1998. ⎯CPLEAR ⎯⎯⎯ →. 0 →K t=0 t. IKP in KCETA.

(18) Zeitumkehr (2): Erste direkte Messung einer Verletzung. Semileptonic Time reversal asymmetry. http://inpa.lbl.gov/pbar/talks/F6_Tauscher.pdf. Kabir-Theorem (Kabir, PR D2 (1970) 540) Time reversal invariance is violated, if the transformation rate Kabir-asymmetry:. R K0. − R K0. R K0. + R K0. 0 t = 0 →K t 0 t = 0 →K t. 0 t = 0 →K t. (t). ⎯CPLEAR ⎯⎯⎯ → A. 0 t = 0 →K t. exp T. R K0. 0 t = 0 →K t. (t) =. (t) ≠ RK. R K0. + −. R K0. + −. t = 0 →e t = 0 →e. π ν π ν. 0 0 t = 0 →K t. − R K0. t = 0 →e. + R K0. t = 0 →e. (t). −. π +ν. −. π +ν. R+ − R− (t) = + − (t) R +R. 〈AT〉average= (6.6 ± 1.3stat ± 1.0syst )×10-3 Ref.: Angelopoulos et al, PL B444 (1998) 43 A T ( t ) = 4 Re ( ε ) − 2 Re ( y + x− ) +2. (. Re x− e. − 12 Δγ t. ). − cos(Δmt) + Im x+ sin(Δmt). cosh ( 12 Δγ t ) − cos(Δmt). ⎯t⎯⎯ → 4 Re ( ε ) − 2 Re ( y + x− )  τS. First ever measured T-reversal violation through rate comparison Arrow of time: antikaons disappear faster than kaons (Reε >0) October 28, 2005 8. KT2012. Johannes Blümer. L. Tauscher, LBL_October 2005. 19 IKP in KCETA.

(19) CPLEAR-Detektor. 9. KT2012. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(20) 6. CPT Theorem CPT-Theorem (Lüders & Pauli 1954) ■ Die physikalischen Größen sind invariant unter C·P·T-Transformation ■ Vorraussetzungen: - Lorentz-Invarianz - Lokalität - Quantenmechanik. lokale, relativistische Quantenfeldtheorie. - Wahrscheinlichkeitserhaltung - es gibt einen Zustand niedrigster Energie - endliche Zahl elementarer Teilchen. Gerhart Lüders. Wolfgang Pauli. → enthalten keine Parameter. Kleine Abweichungen sind deshalb nicht möglich.. ■ Konsequenzen: - Masse von Teilchen und Antiteilchen sind gleich - Lebensdauer von Teilchen und Antiteilchen sind gleich - Betrag des magn. Moments von Teilchen und Antiteilchen sind gleich. 03.01.2012 10. Michael Feindt , Moderne Physik III, Vorlesung 11. KT2012. Johannes Blümer. KIT-IEKP IKP in KCETA.

(21) 6. CPT Theorem CPT-Theorem (Lüders & Pauli 1954) ■ Die physikalischen Größen sind invariant unter C·P·T-Transformation ■ Vorraussetzungen: - Lorentz-Invarianz - Lokalität - Quantenmechanik. lokale, relativistische Quantenfeldtheorie. - Wahrscheinlichkeitserhaltung - es gibt einen Zustand niedrigster Energie - endliche Zahl elementarer Teilchen. Gerhart Lüders. Wolfgang Pauli. → enthalten keine Parameter. Kleine Abweichungen sind deshalb nicht möglich.. ■ Konsequenzen: - Masse von Teilchen und Antiteilchen sind gleich - Lebensdauer von Teilchen und Antiteilchen sind gleich - Betrag des magn. Moments von Teilchen und Antiteilchen sind gleich. CPT-Theorem ist parameterfrei – es gibt keine ‘geringen’ Abweichungen. 03.01.2012 10. Michael Feindt , Moderne Physik III, Vorlesung 11. KT2012. Johannes Blümer. KIT-IEKP. IKP in KCETA.

(22) CPTvon INVARIANCE CPT INVARIANCE Expt. Tests CPT-Symmetrie. / m average (m + − m − ) / m average W W (m + − m − ) / m average m average e !" ! e !q + q −! e + e e average(g e + − g e − ) / gaverage (τ + − τ − ) / τ average τ average µ µ (g + − g − ) / g average average µ µ maverage (m + − m − )/maverage τ τ 2 t(m mt + m ) t − m t ) / (m t + m t ). − 0.002 ± 0.007 − 0.002 ± 0.007 <8 × 10−9 , CL = 90% <8 × 10−9 , CL = 90% <4 × 10−8 <4 × 10−8 (-0.5+-2.1) × 10−12 (-0.5+-2.1) × 10−12. (2 ± 8) × 10−5. (− 0.11 ± 0.12) × 10−8 (− 0.11 ± 0.12) × 10−8. <2.8 × 10−4 , CL = 90%<2.8 × 10−4 , CL = 90%. m average (m + − m − ) / m average π π (τ + − τ − ) / τ average τ average π π (m + − m − ) / m average / m average K K / τ average (τ + − τ − ) / τ average K K te difference/average K ± → µ± νµ rate difference/average te difference/average K ± → π ± π 0 rate difference/average [i] xing δ in K 0 − K 0 mixing. δ. real part of δ. art of δ. imaginary part of δ. eter. Re(y), Ke3 parameter ameter Re(x− ), Ke3 parameter ! ! !m !/m − m m average 0 0 average K K verage(Γ K 0 − Γ K 0 )/m average 11. KT2012. Johannes Blümer. (2 ± 8) × 10−5. 0.022 ± 0.022 (2+-5) × 10−4. 0.022 ± 0.022 (2+-5) × 10−4. (− 0.6 ± 1.8) × 10−4. (− 0.6 ± 1.8) × 10−4. (6+-7) × 10−4. (6+-7) × 10−4. (0.10 ± 0.09)% (S = 1.2) (0.10 ± 0.09)% (S = 1.2) (− 0.5 ± 0.4)% (0.8 ± 1.2)% (2.3+-2.7) × 10−4 (0.4+-2.1) × 10−5 (0.4+-2.5) × 10−3. (− 0.5 ± 0.4)% [i] (0.8 ± 1.2)% (2.3+-2.7) × 10−4 (0.4+-2.1) × 10−5 (0.4+-2.5) × 10−3. (− 2.9 ± 2.0) × 10−3 (− 2.9 ± 2.0) × 10−3 [j] <8 × 10−19 , CL = [j] 90%<8 × 10−19 , CL = 90% (8 ± 8) × 10−18 (8 ± 8) × 10−18 IKP in KCETA.

(23) Erhaltungssätze und Wechselwirkungen Symmetrie. Starke WW. e.m. WW. schw. WW. Bem.. Zeitranslation. √. √. √. Energieerhaltung. Ortstranslation. √. √. √. Impulserhaltung. Drehimpuls. √. √. √. Drehimpulserhaltung. Baryonenzahl. √. √. √. Protonzerfall. Strangeness. √. √. –. Sonderfall von Flavour. Flavour. √. √. –. keine FCNC. Farbe. √. √ Hadr.. √ Hadr.. nur für Hadronen. n.a.. √. √. indiv. LZ in v-Oszill verletzt. Isospin I. √. –. –. Isospin I3. √. √. –. P. √. √. –. C. √. √. –. T. √. √. –. verl. f. neutr. Mesonen. CP. √. √. –. verl. f. neutr. Mesonen. CPT. √. √. √. √. –. –. Leptonenzahl. G-Parität 12. KT2012. Johannes Blümer. nützl. Größe; G = C eiπI2 IKP in KCETA.

(24) Supersymmetrie. 13. KT2012. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(25) Schwache Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Leptonfamilien geladene und neutrale Ströme von der Fermitheorie zu massiven Austauschbosonen Universalität der schwachen Kopplungskonstante Quarkmischung. 14. KT2012. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(26) Leptonfamilien Leptonfamilien geladene Leptonen. e+. Masse. 0.5 ∞. Lebensdauer. τ+. µ+. µ 105 e 1777. 2m µs 0.5 0.3105 ps 1 777 τ. aber nicht. →. e+. τ+ → e+ νe ντ → µ+ νµ ντ. ɣ. → π+ ντ.  Γ( µ → eγ ) < 5 ⋅1011   Γ( µ → alle)   . ■ Identität des Neutrinos:. MeV. ∞ 2 µs 0.3 ps. µ+ → e+ νe νµ µ+. τ MeV. → ρ+ ντ. >. → a+1 ντ. Wie identifiziert man die Neutrinos?. über Kopplung an geladene Leptonen: n → p + e- + νe. 3. 15. KT2012. 00.00.0000. Johannes Blümer. νe + p → n +Wie e+ stark ist e- die undschwache νe sind gek νe + n → p +WW? e- Ist diee+Kopplung und νe sind gek universell?. Wieso massive Austauschteilchen?. Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 10. IKP in KCETA.

(27) Die zweite Neutrinogeneration. 16. KT2012. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(28) 34 Ereignisse = 29 ν‘s + 5 ‚cosmics‘: • nicht kosmische Strahlung • nicht Neutron-induziert • keine Kern-WW, daher Myonen • Neutrino-induziert (Test: π-Zerfall durch Bleiblock unterdrücken!) • „Schauer-Ereignisse“ nicht wie normale Elektronschauer 17. KT2012. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(29) 18. KT2012. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(30) Neutrale Ströme 1973++ auslaufendes Neutrino. elektromagnetischer Schauer. Nuclear Physics B73 (1974) 1-22 North-Holland Publishing Company. WechselWirkungspunkt. einlaufendes Neutrino. ⌫µ e ! ⌫µ e. 2. OBSERVATION OF NEUTRINO-LIKE INTERACTIONS WITHOUT MUON OR ELECTRON IN THE GARGAMELLE NEUTRINO EXPERIMENT. Hasert Gargamelle 1974 NPB73. F.J. HASERT, S. KABE, W. KRENZ, J. VON KROGH, D. LANSKE, J. MORFIN, K. SCHULTZE and H. WEERTS. F.J. Hasert et al., Neutrino-hke interacttons 111. Phystkahsches lnstttut der Techmschen Hochschule, Aachen, German),. G. BERTRAND-COREMANS, J. SACTON, W. VAN DONINCK and P. VILAIN*. lnteruntverstty Institute for High Energies, U.L.B., V.U.B., Brussels, Belgium Abstract. Events induced by neutral particles and producing only hadrons, but no muon or electron, have been observed in the heavy liquid bubbleR. BALDI, chamber Gargamelle exposed to neutrino W.F. FRY** U. CAMERINI**, D.C. CUNDY, I. DANILCHENKO***, D. HAIDT, S. NATALI*, P. MUSSET, OSCULATI, (v) and antlneutrlno (v--)beams at CERN. A study of the various sources which B.could gweR. PALMER**, J.B.M. PATTISON, D.H. PERKINS +, A. PULLIA, A. ROUSSET, rise to such events reveals that less than 20% could be attributed toVENUS neutrons orWACHSMUTH K~. The W. ++ and H. Geneva, Switzerland events behave as expected if they arise from neutral current processesCERN, induced by neutrinos and antmeutrinos. The ratio of the number of these events to theB. number ofM.corresponding V. BRISSON, DEGRANGE, HAGUENAUER, L. KLUBERG, U. b-. Nguyen-KHAC and P. PETIAU events with charged lepton is 0 22 -+0.04 for v and Laboratoire 0.43 -+de0.12 for Physique Nuclealre des Hautes Energies, Ecole Polytechnique, Parts France 19. KT2012. Johannes Blümer. IKP in KCETA.

(31) 11. Das. University of Pittsburgh, Pittsburgh, Pennsylvania 15260, USA 12 University of South Carolina, Columbia, South Carolina 29208, USA 13 Tufts University, Medford, Massachusetts 02155, USA dritte Neutrino: DONUT (Received 22 November 2007; published 11 September 2008) PHYSICAL REVIEW D 78, 052002 (2008). The DONuT experiment collected data in 1997 and published first results in 2000 based on four observed !" charged-current (CC) interactions. The final analysis of the data collected in the experiment is presented in this paper, based on 3:6 ! 1017 protons on target using the 800 GeV Tevatron beam at Das dritte Neutrino Fermilab. The number of observed !" CC events is 9 with an estimated background of 1.5 events, from a total of 578 observed neutrino interactions. We calculate the !" CC cross section as a function of one parameter. Assuming Ds mesons are the sole source for !" , the energy-independent part of the total CC 1:52 ! 10%40 cm2 GeV%1 for n & 4, where n is the cross sectionErzeugung can be parametrized einesas #const ð!Abschirmung " Þ ¼ 2:51n parameter controlling the longitudinal part of the Ds differential cross section of the form d#=dxF / prompten Strahls ð1 % jxF jÞn . The analysis could not distinguish between !" and !! " . The value of n obtained from PYTHIA simulations, n ¼ 6:1, gives an estimated value of #const ð!" Þ ¼ ð0:39 ' 0:13 ' 0:13Þ ! 10%38 cm2 GeV%1 . DOI: 10.1103/PhysRevD.78.052002. I. INTRODUCTION. au neutrino, !" , was assigned its place in the model after its electrically charged weak 1 2 partner, the " lepton, was discovered in 1975 observation of identifiable !" interactions, in a similar to !e [2] and !$ [3] interactions, did not tely follow. The difficulty of measuring !" interwas due to the relativeErzeugung scarcity of the sources of !" ack of sufficiently powerful detection methods to 20. KT2012. Johannes Blümer. PACS numbers: 14.60.Lm, 02.50.Sk, 13.25.Ft, 13.35.Dx. servation of four !" interactions by the DONuT observation of nu-tau) Collaboration, in 200 25 years after the " lepton was discovered. Ana our full data set yielded nearly 3 times as many interactions of all flavors as reported in Ref. [4]. Th reports our final results, bringing the DONuT exper a completion. The purpose of the DONuT experiment was to charged-current Nachweis (CC) events, IKP in KCETA ! þ N ! "% þ X;(1a).

(32) Von der Fermitheorie hwache Prozesse zu den W und Z-Bosonen. storisch: Fermi – 4-Fermion – Wechselwirkung. 000. p e. n. ν. Fermi: punktförmige 4Fermionpunktförmiger Vertex, an dem ein Neutron vernichtet und ein Wechselwirkung Proton, ein Elektron und ein Antineutrino erzeugt werden.. Kopplungskonstante:. GF = 1.2·10-5 GeV-2·(ћc)3. Fermi – Kopplungskonstante, klein!. er ? d t g ä n t i u l d a a s r L e v n i e n h c U wa sch. Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 10 21. KT2012. Johannes Blümer. KIT-IEKP IKP in KCETA.

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