1 EINLEITUNG 2

h¨ atte. Viele Physiker waren damals der Meinung, daß die starke Wechselwirkung doch nicht durch eine Feldtheorie zu erkl¨ aren sei und nach vollkommen neuen Konzepten gesucht werden m¨ usse. Ans¨ atze dieser Richtung waren beispielsweise nuclear democracy und bootstrap. F¨ ur einen historischen ¨ Uberblick verweise ich auf [2] und [1].

Abbildung 1: Auszug der Anfang der 70er Jahre bekannten ,,Elementarteilchen” [2].

Auch bei der schwachen Wechselwirkung traten Probleme auf, welche sich mit den bisherigen Theorien nicht erkl¨ aren ließen. Bisher waren st¨ orungstheoretische Beschreibungen noch relativ problemlos m¨ oglich gewesen, bei hohen Energien jedoch hat erst Steven Weinberg durch die Einf¨ uhrung seiner elektroschwachen Feldtheorie einen erfolgreichen Erkl¨ arungsversuch liefern k¨ onnen. Trotz der zunehmenden Komplexit¨ at der Elementarteilchenphysik blieb es bei den bisher bekannten vier Grundkr¨ aften: Gravitation, Elektromagnetismus, starke Wechselwirkung und schwache Wechselwirkung. Diese Diskrepanz zwischen der relativen ,,Schlichtheit” der Kr¨ afte und der F¨ ulle scheinbar elementarer Teil-

1 EINLEITUNG 3

chen war nat¨ urlich h¨ ochst unbefriedigend und es lag die Vermutung nahe, die bisher bekannten Teilchen k¨ onnten eine einfachere Substruktur besitzen und lediglich die Kombinatorik sei f¨ ur die große Diversit¨ at der neu entdeckten Teilchen verantwortlich. Historisch gesehen konnte ja schon einmal die große Vielfalt an Elementen durch die innere Struktur des Atoms erkl¨ art werden. Außerdem k¨ onnte eine weitere Unterstruktur auch bisher unverstandene Ph¨ anomene wie das magnetische Moment des Neutrons zur Zwangsl¨ aufigkeit machen. Um erst einmal eine gewisse Ordnung in den Teilchenzoo zu bringen, ordnete man daher die neu entdeckten Hadronen in Multipletts an. Im Jahre 1962 wurde dann ein umfassenderes Ordnungsprinzip entdeckt, als man die die Ladungsmultipletts in Supermultipletts einbettete. Diese Anordnung umfasste acht Quantenzahlen, weshalb man damals auch vom achtfachen Weg sprach. Die anf¨ angliche Skepsis diesem Modell gegen¨ uber schwand, als 1964 das so vorausgesagte Omega-Teilchen entdeckt werden konnte. Die Systematik des achtfachen Weges f¨ uhrte schließlich zum ersten Quarkmodell, welches erkl¨ aren konnte, weshalb nicht alle M¨ oglichkeiten von Multipletts, die dieser Theorie nach m¨ oglich w¨ aren, von der Natur realisiert werden.

Schon im Jahre 1963 wurde von Murray Gell-Mann und George Zweig unabh¨ angig voneinander eine Erkl¨ arung vorgeschlagen.

Die Annahme, alle Hadronen seine aus Subpartikeln, vom Gell-Mann Quarks genannt, zusammengesetzt, f¨ uhrte automatisch zur einfachsten nichttrivialen Familie des achtfachen Weges. Diese Quarks mußten dabei drittelzahlige Elementarladungen besitzen. Demnach setzen sich Mesonen aus Quark und Antiquark zusammen w¨ ahrend Baryonen aus drei Quarks bestehen. Durch diese einfachen Regeln ergaben sich bei einer Anzahl vor drei verschiedenen Quarks

(up, d own, strangeness ¹ ) alle damals bekannten Hadronen. Das dritte Quark,

das s, ben¨ otigte man nur f¨ ur seltsame Teilchen, was zu einem neuen Verst¨ andnis

¹ von Gell-Mann damals noch mit sideways bezeichnet

1 EINLEITUNG 4

der Strangeness (beispielsweise bei K, Λ, Ξ) und der damit verbundenen hohen Lebensdauer als Folge der Quarkstruktur f¨ uhrte. |p = |uud; |n = |udd; |Λ = |uds; √

d; |π − = |d¯ u; |π ⁰ = 1/ |π ⁺ = |u ¯ 2|u¯ u − d ¯ d;

Die Frage, warum alle Hadronen aus nur zwei bzw. drei Quarks bestehen, wurde von Oscar W. Greenberg durch die Vermutung erkl¨ art, jeder Quarktyp besitze drei Erscheinungsformen, welche sich nur bez¨ uglich eines neu einzuf¨ uhrenden Freiheitsgrades, der Farbladung, unterscheiden. Die so zusammengesetzten Teilchen m¨ ußten nach außen hin farblich neutral sein, was die Beschr¨ ankung auf Teilchen aus zwei oder drei Quarks aufgrund des Pauliprinzips zu Folge hat.

F¨ uhrt man nun eine Eichtheorie f¨ ur Quarkfarben ein, so muß man die Existenz von acht masselosen Gluonen voraussetzen, welche die starken Kr¨ afte zwischen den Quarks vermitteln.

Im Gegensatz zur starken Wechselwirkung ist bei der schwachen Wechselwir- kung der Quarktyp keine Erhaltungsgr¨ oße. Nur so ist beispielsweise die endliche

1 EINLEITUNG 5

Lebensdauer seltsamer Teilchen erkl¨ arlich. Ein weiters Beispiel ist der Betazerfall, bei dem sich ein Neutron in ein Proton umwandelt und nur Leptonen emittiert werden, wonach sich ein d-Quark in ein u-Quark umwandeln muß. Diese schwache Wechselwirkung l¨ aßt sich feldtheoretisch durch Einf¨ uhrung von

intermedi¨ aren Vektorbosonen (q = ± e) als Austauschteilchen erkl¨ aren, welche im Gegensatz zu den bisher bekannten Austauschteilchen selbst eine Masse besitzen. Quarks k¨ onnen demnach ihren Typ (Flavor ) ¨ andern, indem sie solche Vektorbosonen emittieren oder absorbieren. Da diese Austauschteilchen auch in ladungsfreier Variante existieren m¨ ußten (Z 0 ), wie von Glashow 1961 gezeigt, sollte es (weitgehend unterdr¨ uckte) neutrale schwache Str¨ ome, die die Strangeness ¨ andern, geben, denn nach Cabibbo nehmen d- und s-Quark um einen Mischungswinkel θ c ,,rotiert” an der schwachen Wechselwirkung teil [3]:

Leptonen Quarks

Damit ergibt sich f¨ ur das Matrixelement der Z 0 -Kopplung: 2

Da sin θ C = 0, sollten damit also strangeness¨ andernde neutrale Str¨ ome existieren. Diese sind aber experimentell nie beobachtet worden. Von Glashow, Iliopoulos und Maiani (GIM) wurde deshalb damals die Existenz eines vierten Quarks (Charm) postuliert. Die Begr¨ undung war folgendermaßen: Nimmt man die Existenz zweier Quark-Doubletts an und fordert die Orthogo-

nalit¨ at der Eigenzust¨ ande der schwachen Wechselwirkung (s C ⊥d c ),

so ergeben sich zus¨ atzliche Beitr¨ age zum Matrixelement:

² Eigentlich gilt dies nur f¨ ur linksh¨ andige Teilchen.

2 ENTDECKUNG DES J/Ψ 6

u¯ u + c¯ c + (d ¯

Da der zweite Term verschwindet, folgt die Nichtexistenz strageness¨ andernder neutraler Str¨ ome durch die Postulation eines vierten Quarks. Außerdem sprachen auch Symmetriegr¨ unde f¨ ur das Vorkommen des Charm-Quarks. Experimentell konnte diese Vermutung im November 1974 best¨ atigt werden, was die Richtigkeit des Quarkmodells nahelegte und zu seinem endg¨ ultigen Durchbruch verhalf (Schlagwort: Novemberrevolution).

2 Entdeckung des J/Ψ

Das J/Ψ-Teilchen (|c¯ c) wurde im November 1974 fast gleichzeitig durch Samuel

C. C. Ting et al. in Brookhaven [7] und Burton Richter et al. am SLAC ³ [8]

entdeckt, wof¨ ur beide im Jahre 1976 den Nobelpreis erhielten. Schon kurze Zeit sp¨ ater konnten deren Resultate auch durch die Frascati-Gruppen best¨ atigt werden [9].

2.1 Brookhaven-Experiment

Das Experiment in Brookhaven fand, wie bereits gesagt, unter Leitung von Samuel C. C. Ting statt.

Hierbei wurden Protonen mit einer Energie von 28,5 GeV auf ein Be-Target geschossen. Untersucht wurde damals die folgende Reaktion [7]:

p + Be −→ e ⁺ + e − + Rest

Zu diesem Zweck hatte man um das Target herum ein zweiarmiges Spektrometer installiert, dessen Funktionsweise an dieser Stelle erl¨ autert werden soll [4]. F¨ ur den zwischen den Spektrometerarmen eingeschlossenen Winkel θ ergibt sich folgender Zusammenhang, wenn man aufgrund der hohen Enegie die N¨ aherung

E ≈ p zul¨ aßt:

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 θ)

Bei dem Aufbau des Versuches w¨ ahlte man damals einen Winkel θ von 14, 6 ◦ .

Mit E + = E − = 1/2 E Strahl = 14, 25 GeV ergibt sich somit M = 3, 68 GeV

³ Stanford Linear Accelerator

2  ENTDECKUNG DES /JΨ  

   7

Abbildung  4: Samuel C. C. Ting  21

Abbildung  5: Skizze des Brookheaven-Spektrometers  4

2 ENTDECKUNG DES J/Ψ 8

f¨ ur das schwerste noch nachweisbare Teilchen, welches bei der Reaktion als Zwischenprodukt entstanden sein k¨ onnte, das anschließend in Elektron und Positron zerf¨ allt.

Gelingt es, die Energie des Elektrons und des Protons zu messen, so liefert diese Formel auch direkt die Masse des eventuell neu entstandenen Teilchens. In jedem der beiden Spektrometerarme wurden als erstes die geladenen Teilchen durch einen Magneten M 0 aus der Strahlebene herausgelenkt. Die Geschwindigkeitsmessung dieser geladenen Partikel wurde durch die Verwendung von Cherenkovz¨ ahlern m¨ oglich. Hierbei kamen zwei verschiedene Verfahrensweisen zum Einsatz. F¨ ur die Bestimmung der Geschwindigkeit positiv geladener Teilchen verwendete man einen sogenannten differentiellen Cherenkovz¨ ahler [3].

Abbildung 6: Zum ¨ Offnungswinkel des Cherenkov-Kegels.

Da

c

l¨ aßt sich die Geschwindigkeit β somit aus dem ¨ Offnungswinkel des Wellenfrontenkegels bestimmen. Ermittelt man dann noch durch Einschub einer Blende unter Verwendung der Zyklotronformel den Impuls des Teilchens, so gewinnt man die Kenntnis der Teilchenmasse.

Der Nachweis der positiv geladenen Partikel war notwendig, um Ereignisse der

Art π 0 −→ e ⁺ + e − + γ ausschließen zu k¨ onnen, welche durch die hadronischen

Reste beim Beschuß des Targets zu erwarten waren.

Die negativ geladenen Teilchen hingegen durchquerten zwei in Reihe geschaltete Cherenkovz¨ ahler (C 0 , C e ) mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsschwellen

(β > 1

n ) f¨ ur das Auftreten von Cherenkovstrahlung. Erst von dieser Grenze an kommt es zu Cherenkovstrahlung. Man spricht daher auch von einem Schwellenz¨ ahler. Durch geeignete Wahl der Medien ist es somit m¨ oglich, die langsameren Hadronen von den Elektronen zu trennen. Zwischen die beiden Cherenkovz¨ ahler setzte man dann noch einen Ablenkmagneten um diese zu entkoppeln und somit den Strahlungsuntergrund durch Se- kund¨ arelektronen, welche ja eine geringere Energie haben, zu eliminieren.

2 ENTDECKUNG DES J/Ψ 9

Anschließend folgte eine Reihe gegeneinander verdrehter Proportionalkammern (A 0 , A, B, C) zur Verfolgung der Teilchenbahnen. Hinter jeder dieser Kammern

befanden sich noch zwei um 90 ◦ gegeneinander verdrehte Ebenen von je acht

Szintillationsz¨ ahlern zur besseren Zeitaufl¨ osung der Koinzidenzschaltung. Nach der letzten dieser Proportionalkammern waren dann noch 25 Bleiglasz¨ ahler zur Energiemessung montiert.

Abbildung 7: Resultat des Brookhaven-Experimentes [7].

Das Resultat ist in Abb. 7 dargestellt. Deutlich ist ein Peak bei etwa 3,1 GeV erkennbar. Ein zuf¨ alliger, durch den Versuchsaufbau bedingter Effekt konnte dadurch ausgeschlossen werden, daß man Target, Z¨ ahlerspannung und Strahlintensit¨ at modifizierte, sich die Lage des Peaks jedoch nicht ¨ anderte. Konsequenterweise mußte es sich also um ein bisher unbekanntes Teilchen mit einer Masse von 3,1 GeV handeln, welchem man den Namen J gab.

2 ENTDECKUNG DES J/Ψ 1 0

2.2 SLAC-Experiment

Dieses Experiment fand gleichzeitig mit dem in Brookhaven statt, und zwar unter der Leitung von Burton Richter.

Allerdings war die Vorgehensweise eine deutlich andere. Hier wurden n¨ amlich Elektronen und Positronen, die im Linearbeschleuniger erzeugt wurden, im Speicherring SPEAR bei einer Schwerpunktsenergie von 8 GeV aufeinandergeschossen [4], [8]. Von Interesse war dabei der Vorgang

e ⁺ + e − −→ X −→ Hadronen, µ ⁺ µ − , e ⁺ e −

Zur Analyse der Reaktionsprodukte wurde der MARK I / SLAC-LBL magnetic detector verwendet, der in Abb. 11 skizziert ist.

Die Funktionsweise war folgende: Zylinderf¨ ormig um den Strahl befanden sich Szintillationsz¨ ahler, welche als Trigger dienten. Zus¨ atzlich stellte man hier die Bedingung, daß mindestens zwei Teilchen nachgewiesen werden mußten, um Rauschen ausschließen zu k¨ onnen. Um diese Z¨ ahler herum wurden Funkenkammern zur Bahnbestimmung geladener Teilchen angeordnet. Legte man dabei noch ein ¨ außeres Magnetfeld an, so ergab sich aus der Bahnkr¨ ummung der Teilchenimpuls. Auf diese Kammern folgten weitere Szintillationsz¨ ahler, wodurch sich im Zusammenspiel mit den Triggerz¨ ahlern die zum Durchqueren der Funkenkammern gebrauchte Zeit bestimmen ließ. In Kombination mit dem bereits bekannten Impuls resultierte so die Masse eines Teilchens. Die anschließenden Schauerz¨ ahler sollten Elektronen, Positronen und Photonen vollst¨ andig abbremsen (Energieverlust nach Bethe-Bloch). Aufgrund einer orthogonalen Anordnung der Szintillatoren ließ sich dabei die Schauerentwicklung sowohl longitudinal als auch transversal beobachten. Durch eine folgende Eisen/Blei-Schicht wurden nun auch die Hadronen vollst¨ andig gestoppt, so daß in den ¨ außersten Kammern nur noch Myonen nachgewiesen werden konnten.

2  ENTDECKUNG DES /JΨ  

1   1

Abbildung  9: SPEAR - Speicherring  20

Abbildung  10: Querschnitt MARK I  10

2  ENTDECKUNG DES /JΨ  

1   2

Abbildung  11: MARK I - Detektor  6

2  ENTDECKUNG DES /JΨ  

1   3

Abbildung  12: Fotografie MARK I  1

2 ENTDECKUNG DES J/Ψ 1 4

Bei der Durchf¨ uhrung des Experimentes wurde der Energiebereich urspr¨ unglich in relativ großen Schritten (200 MeV) durchfahren [6]. Dabei stellte man bei 3,2 GeV einen erh¨ ohten Querschnitt fest, wovon man sich anhand Abb. 13 uberzeugen kann. ¨

Daraufhin untersuchte man den betroffenen Energiebereich detaillierter (Abb. 14) und stellte eine steile, sehr schmale Resonanz bei 3,096 GeV fest. Als Erkl¨ arung ergab sich auch hier ein neues Teilchen, welches in diesem Fall Ψ getauft wurde.

Nun, weshalb mußte es sich dabei um ein neues Teilchen handeln? Ein Grund war der, daß zum damaligen Zeitpunkt schon alle Kombinationen der drei bekannten Quarks entdeckt waren. Allerdings ist das noch kein wirklicher Beweis. Betrachtet man den myonischen Wirkungsquerschnitt, so l¨ aßt sich kurz vor dem Peak ein Minimum erkennen, was auf die Interferenz zweier Wahrscheinlichkeitsamplituden hinweist (Abb. 15). Es mußte also ein Teilchen mit den selben Quantenzahlen wie das Photon aufgetreten sein, so daß die Zerstrahlung in eines dieser beiden Teilchen prinzipiell nicht von der in das andere unterscheidbar ist [4], [3].

Außerdem bedeutet die geringe Resonanzbreite ⁴ eine relativ hohe Lebensdauer

des entdeckten Teilchens. Die Erkl¨ arung hierf¨ ur liefert die Zweig’sche Regel: Aus

⁴ Die Breite des Peaks im Diagramm ist durch die Aufl¨ osung der Apparatur gegeben. Die wirkliche Breite l¨ aßt sich durch Integration der Breit-Wigner Formel und anschließendem

Vergleich mit dem Experimet zu etwa 63 keV bestimmen.

2  ENTDECKUNG DES /JΨ  

1   5

Abbildung  14: Ψ - Resonanz  4

2 ENTDECKUNG DES J/Ψ 1 6

energetischen Gr¨ unden ist der direkte Zerfall des |c¯ c beispielsweise in (|c ¯ d) +

(|¯ cd) nicht m¨ oglich. Die Gesamtmasse der Zerfallsprodukte w¨ are gr¨ oßer als die des urspr¨ unglichen Teilchens. Es bleibt daher nur die M¨ oglichkeit des Zerfalls uber unterdr¨ uckte Kan¨ ale, d.h. die Zerstrahlung in Gluonen [2], [3]. Siehe auch ¨ Abb. 16.

Die Anzahl der ausgetauschten Gluonen betr¨ agt mindestens zwei, da es sich um ein Farbsingulett handeln muß. Zus¨ atzlich ist f¨ ur die Ladungskonjugation

C = −1 zu fordern, da das Ψ ja die gleichen Quantenzahlen wie das Photon hat, weshalb die Zahl der ausgetauschten Gluonen (C Gluon = −1) ungerade sein muß, da diese Quantenzahl multiplikativ ist.

F¨ ur die hohe Lebensdauer ist also die Tatsache verantwortlich, daß das Ψ nicht direkt zerfallen kann, was sich nur durch die Einf¨ uhrung eines neuen Teilchens

|c¯ c erkl¨ aren l¨ aßt.

2 ENTDECKUNG DES J/Ψ 1 7

2.3 Quarkonium

Schon aus der Quantenelektrodynamik (QED) sind Partikel bekannt, die sich aus einem Teilchen und seinem Antiteilchen zusammensetzen. Es handelt sich

dabei um das Positronium (e ⁺ + e − ). Nun existieren in der Quantenchromody-namik (QCD) Gebilde, die eine gewisse Analogie zum Positronium aufweisen,

bespielsweise Φ = |s¯ s und J/Ψ = |c¯ c. Unterschiede des Quarkoniums zum Positronium [2]:

• Die Gr¨ oße des Gebildes ist in etwa um den Faktor 10 ⁵ kleiner.

• Die Masse hingegen ist 10 ³ - 10 ⁴ mal so groß.

• Anstatt der elektromagnetischen Wechselwirkung sind hier Farbkr¨ afte f¨ ur die Bindung verantwortlich.

Aus diesem Grunde spricht man hier manchmal auch von ,,Atomen aus Quarks”,

f¨ ur den konkreten Fall (J/Ψ = |c¯ c) ist die Bezeichnung Charmonium ¨ ublich.

Im Gegensatz zu |d ¯ d, |u¯ u und |s¯ s ist hier die Masse deutlich gr¨ oßer als die Bindungsenergie und somit eine nichtrelativistische Rechnung m¨ oglich. Nun ist bekannt, daß das Positronium angeregte Zust¨ ande besitzt. Es ist also aufgrund der gerade geschilderten Analogie die Existenz ebensolcher angeregter Zust¨ ande des Charmoniums zu erwarten. Kurz nach der Entdeckung des J/Ψ machte man sich auf die Suche nach diesen und wurde, ebenfalls mit dem MARK I-Detektor, f¨ undig. Die Lage der entsprechenden Resonanzen ist in Abb. 17 zu erkennen.

Eine pr¨ azise Messung der Spektrallinien gelang am SLAC mit dem sogenannten Kristallball-Detektor (Abb. 18), bei dem 732 NaJ-Kristalle als Szintillationsz¨ ahler sternf¨ ormig um die Kollisionszone angeordnet waren, womit sich die Winkelverteilung und die Energie der beim ¨ Ubergang freigesetzten Photonen bestimmen ließ.

Die angeregten Zust¨ ande tragen die Bezeichnungen Ψ , Ψ , Ψ , . . . , der Grund-

zustand tr¨ agt jedoch weiterhin den Doppelnamen J/Ψ. Abbildung 19 zeige jedoch, so ein Mitglied der Forschungsgruppe am SLAC [6], die ,,bessere” Wahl ihrer Bezeichnung ;-)

2.4 Mesonen mit Charm

Wie bereits erw¨ ahnt ist das J/Ψ relativ langlebig, da es aus energetischen Gr¨ unden nicht direkt in Mesonen mit offenem Charm zerfallen kann. Das Charmonium selbst besitzt nur verdeckten Charm, da der Gesamtcharm durch das Antiteilchen verschwindet. Ein Zerfall des J/Ψ ist nur m¨ oglich, indem dieses in Gluonen zerstrahlt, aus welchen dann die Mesonen entstehen.

Allerdings ist bei angeregten Zust¨ anden (ab Ψ ) der direkte Zerfall energetisch erlaubt und es entstehen ,,charmante” Mesonen (D-Mesonen, F-Mesonen ⁵ ).

Ψ −→ D ⁰ ¯ D ⁰ , D ⁺ D −

⁵ In der modernen Literatur werden diese auch mit DS bezeichnet.

2  ENTDECKUNG DES /JΨ  

1   8

Abbildung  17: Charmoniumspektrum  2

Abbildung  18: Kristallball - Detektor  2

3 ENTDECKUNG DES τ -LEPTONS 19

Siehe dazu auch noch einmal Abb. 16.

Diese Mesonen k¨ onnen dann jedoch wegen Erhaltung der Quantenzahl Charm nicht mehr stark, sondern nur noch schwach zerfallen (der Flavor ist ja nur bez¨ uglich der starken Wechselwirkung eine Erhaltungsgr¨ oße), was eine vergleichsweise hohe Lebensdauer von Mesonen mit offenem Charm zur Folge hat. Denn genauso, wie u schwach in d zerfallen kann, kann c schwach in s zerfallen.

3 Entdeckung des τ -Leptons

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

ein neues Lepton entdeckt, welchem die Bezeichnung τ gegeben wurde [11]. Den Nobelpreis erhielt M.L. Perl daf¨ ur zwanzig Jahre sp¨ ater. Von besonderem Interesse war die Reaktion

e ⁺ + e − −→ e ± + µ ∓ + mind. 2 unentdeckte Teilchen

Abz¨ uglich des Untergrundes konnten damals insgesamt 64 solcher Ereignisse

⁶ M. L. Perl hat auch in der Forschungsgruppe von B. Richter mitgewirkt, welche das Ψ entdeckt hat. Schon damals hat er in den Versuchsdaten nach Hinweisen f¨ ur die Existenz eines

weiteren Leptons gesucht.

3 ENTDECKUNG DES τ -LEPTONS 20

entdeckt werden. Als einzige realistische Erkl¨ arung kam damals die Produktion

eines bisher unbekannten Leptons τ in Frage: 7

Hier wurde wieder der SLAC-LBL magnetic detector verwendet, mit dem auch das Ψ entdeckt worden war, allerdings diesmal um mehrere Myonenkammern erweitert, da die Unterscheidung von Elektronen und Myonen bei den gesuchten Ereignissen besonders wichtig war.

Es handelte sich n¨ amlich mit hoher Wahrscheinlichkeit um Elektronen, wenn die Pulsh¨ ohe im Schauerz¨ ahler gr¨ oßer als die bei 0,5 GeV-Elektronen war, wobei die Position im Schauerz¨ ahler mit der Bahnbestimmung ¨ ubereinstimmen mußte,

um Photonen auszuschließen. Außerdem durften die Myonenkammern nichts nachweisen.

Die Myonen wiederum sollten nat¨ urlich in den Myonenkammern detektiert werden (welche von Pionen nicht erreicht werden k¨ onnen, da bis dahin ihre 1,67-fache Absorptionsl¨ ange liegt). Außerdem waren in diesem Fall nur geringe Pulsh¨ ohen in den Schauerz¨ ahlern erlaubt.

Wie man anhand von Abb. 22 erkennen kann, ließen sich Myonen und Elektronen durch die Schauerz¨ ahler gut unterscheiden. Die Wahl der Grenze zwischen den beiden Bereichen wurde bei 70 gew¨ ahlt, was 0,5 GeV-Elektronen entspricht.

⁷ Theoretisch w¨ aren auch noch geladene Bosonen m¨ oglich gewesen.

3  ENTDECKUNG DES τ -LEPTONS  

   21

Abbildung  21: MARK I Detektor f ur τ -Nachweis  12

Abbildung  22: Pulsh ohe im Schauerz ahler  10

3 ENTDECKUNG DES τ -LEPTONS 22

√

Die Auswertung soll hier am konkreten Beispiel von s = 4, 8 GeV skizziert werden [11]:

Insgesamt wurden 25.300 Ereignisse mit zwei nachweisbaren Zerfallsprodukten

beobachtet. Dabei handelt es sich zwar haupts¨ achlich um e ⁺ + e − −→ e ⁺ + e − bzw. µ ⁺ + µ − , aber auch hadronische und die gesuchten Ereignisse befanden

sich darunter.

Durch die Forderungen, daß der eingeschlossene Winkel in der Ebene zum Ma-

gnetfeld kleiner als 160 ◦ sein sollte und der Mindestimpuls 0,63 GeV betragen

mußte, ließ sich diese Gesamtzahl auf 24 Ereignisse der Art µ + e mit Ge-

samtladung 0 reduzieren, wobei sich der Untergrund auf 4, 7 ± 1, 2 Ereignisse absch¨ atzen ließ.

Mit entsprechender Vorgehensweise bei anderen Energien kam man zu dem in Abb. 23 gegebenen Resultat. Damit mußte das neu entstandene Teilchen eine Masse von 1,6 - 2,0 GeV besitzen.

Anmerkung: diese Interpretation war zun¨ achst sehr umstritten, besonders da zu diesem Zeitpunkt noch keine Mesonen mit offenem Charm gefunden waren. Endg¨ ultig konnte das Ergebnis daher erst in den folgenden Jahren best¨ atigt werden.

Die Kosequenz der Entdeckung f¨ ur die QCD war, daß eine weitere Familie von Leptonen und Quarks existieren mußte.

Tabelle 1: Erweiterung um eine Familie.

4 ENTDECKUNG DES Υ 2 3

4 Entdeckung des Υ

Durch Leon M. Lederman und seine Mitarbeiter wurde 1977 das Υ (|b ¯ b) entdeckt [5], [13].

Die bei dieser Arbeit von ihnen untersuchte Reaktion war:

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

Protonen 400 GeV, womit s = 28 GeV folgt.

Den schematischen Aufbau zeigt Abb. 25. Der einfallende Strahl wurde durch einen Wolframblock gestoppt. Jeder der beiden Spektrometerarme begann mit einem 5m langen Be-Absorber, welcher die Myonen passieren ließ und die meisten Hadronen herausfilterte. Im Absorber gestreute Teilchen wurden durch einen Kollimator abgefangen. Durch ein Magnetfeld sowie anschließenden Pro-portionalkammern und Hodoskope wurde der Impuls gemessen, woraufhin im Anschluß eine Cherenkovschwelle von 5 GeV zu passieren war. Danach wurde durch einen weiteren Ablenkmagneten, diesmal massiv aus Eisen bei einer L¨ ange von 1,8m, eine weitere Impulsmessung vorgenommen. Weitere Proportionalkammern und Hodoskope folgten. Kurz vor dem Ende installierte man einen weiteren Eisenabsorber sowie die letzten Proportionalkammern und Hodoskope. Die Gesamtl¨ ange eines Spektrometerarmes betrug damit 30m, an deren Ende nur noch Myonen ¨ ubrig bleiben sollten. Im Prinzip handelte es sich somit um eine Vielfachkoinzidenzschaltung.

Bei etwa 9,5 GeV konnte ein Wirkungsquerschnitt festgestellt werden, welcher deutlich ¨ uber dem Untergrund lag (siehe Abb. 26, 27). Auch bei Variation der Apparaturparameter blieb die Lage des Peaks unver¨ andert. Analog dem

Brookhaven-Experiment konnte man hier somit ein neues Teilchen (Υ = |b ¯ b) entdecken.

5 DAS TOP-QUARK 24

Auch in diesem Fall wurde ein Anregungsspektrum des sogenannten Bottomi-ums ⁸ erwartet, welches bei sp¨ ateren Versuchen best¨ atigt werden konnte [2], wie

Abb. 28 (aus CESR-Daten) zeigt.

5 Das top-Quark

Mit dem top-Quark (t) konnte 1994-95 am Fermilab durch die CDF- und die D0-Collaborationen das letzte noch verbliebene Quark entdeckt werden. Bei einer √

Schwerpunktsenergie von s = 1, 8 TeV wurde folgende Reaktion untersucht (siehe zur Illustration auch Abb. 30):

Sowohl die b-Quarks als auch die eventuellen hadronischen Zerf¨ alle der Bosonen ließen sich durch die Entstehung sogenannter Jets, einer Kaskade von Hadronen, nachweisen. Die entstehenden W-Bosonen sollten nun entweder leptonisch (e + ¯ ν e , µ + ¯ ν µ ,. . .) oder hadronisch zerfallen. Dabei liegt die Wahrscheinlichkeit, daß beide Ws in Elektronen oder Myonen sowie Neutrinos zerfallen bei 5%, in 30% der F¨ alle zerf¨ allt ein W in gerade genannte Leptonen und das andere in Hadronen und mit der verbleibenden Wahrscheinlichkeit von 65% zerfallen

beide W-Bosonen hadronisch oder mindestens ein Zerfall in ein τ findet statt ⁹ .

⁸ In der Literatur findet sich auch die Bezeichnung Bottomonium.

⁹ Da das τ h¨ aufig hadronisch zerf¨ allt, behandelt man es in der Praxis auch ¨ ublicherweise

wie ein Hadron.

5  DAS TOP-QUARK  

   25

Abbildung  26: Υ-Resonanz  5

5  DAS TOP-QUARK  

   26

Abbildung  27: Υ-Peak ohne Untergrund  13

Abbildung  28: Termschema des Bottomiums  2

5  DAS TOP-QUARK  

   27

Abbildung  29: Angeregte Υ-Zust ande  5

5  DAS TOP-QUARK  

   28

Abbildung  30: Illustration der Erzeugung des top-Quarks  18

5 DAS TOP-QUARK 29

Aufgrund des geringeren Untergrundes hat man sich auf der Suche nach dem top-Quark auf die ersten beiden F¨ alle beschr¨ ankt. Als Signatur legte man dazu fest, daß mindestens zwei W-Bosonen durch ihre Zerfallsprodukte festgestellt werden sollten oder ein W-Boson zuz¨ uglich minde-

stens eines b-Jets ¹⁰ .

So hat die CDF-Collaboration folgende Kriterien festgelegt [14]:

• Dileptonische Zerf¨ alle:

t −→ b+ ¯ b+ 1 ν 1 + 2 ν 2 , wobei die Gesamtladung der Leptonen verschwin- t ¯

den und der transversale Impuls (d.h. der Anteil senkrecht zum Strahl) der nachweisbaren, geladenen Leptonen (’s) mindestens 20 GeV betragen mußte. Die Neutrinos wiederum sollten dadurch, daß sie nicht nachweisbar sind, zu einem transversalen Energieverlust von ¨ uber 25 GeV f¨ uhren.

Außerdem verlangte man bei den b-Jets eine Energie E T von mehr als 10 GeV.

Insgesamt konnte die CDF-Collaboration 2 solcher Ereignisse bei einem

Untergrund von 0, 56 ^+0,25 −0,13 nachweisen.

• Lepton & Jets: t −→ b + ¯ b + q ¯ t ¯ q + ν, mit einem transversalen Impuls des Leptons von ebenfalls 20 GeV und einer fehlenden transversalen Energie durch das Neutrino von mehr als 20 GeV. Die auftretenden Jets sollten dabei eine Energie von nicht weniger als 15 GeV besitzen.

Das Resultat zeigt Abb. 31, wo nach den oben genannten Schnitten die Anzahl der Ereignisse als Funktion der Jet-Anzahl aufgetragen wurde. Bei einer Zahl von drei oder vier Jets konnte eine H¨ aufigkeit festgestellt werden, die mit einer

¹⁰ Diese lassen sich durch die auftretenden sekund¨ aren Vertizes von den anderen, aus dem Zerfall des Ws stammenden Jets, unterscheiden.

6 NACHWEIS DES τ -NEUTRINOS 30

Signifikanz von 2, 8 σ ¨ uber dem Untergrund lag und nur durch die Entstehung

des t-Quarks erkl¨ art werden konnte. Als man verschiedene Massen des t-Quarks in den Computersimulationen einsetzte, ergab sich die beste ¨ Ubereinstimmung

mit den experimentellen Daten f¨ ur M top = 174 ± 10 GeV (Abb. 32), wie aus dem kleinen Ausschnitt, in welchem der negative Logarithmus des Likelihoods gegen die Topmasse aufgetragen ist, 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 σ best¨ atigt werden, womit die Gesamtsignifikanz groß genug war und das top-Quark somit als entdeckt galt.

6 Nachweis des τ -Neutrinos

Im Sommer 2000 hat die DONUT-Collaboration am Fermilab den ersten direk-

ten Nachweis des τ -Neutrinos verk¨ undet [17]. 11

Untersucht wurde dabei eine Reaktion, die in gewisser Weise dem inversen β- Zerfallentspricht:

ν τ + p(Kern) −→ τ + n(Kern)

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

Emulsionsschichten geschossen, wo dann etwa eines von 10 ¹² Neutrinos mit

einem Eisen-Kern reagierte. Das resultierende geladene Lepton sowie anschließende Zerfallsprodukte hinterließen dabei Spuren in den Emulsionsschichten. Nach gut drei Jahren Auswertungsarbeit glaubte man, Spuren von τ und Zerfallsprodukten in der Emulsion entdeckt zu haben.

¹¹ Ein indirekter Nachweis gelang bereits zuvor durch Ausmessung der Z-Resonanz.

6  NACHWEIS DES τ -NEUTRINOS  

   31

Abbildung  33: DONUT - Detektor  18

6  NACHWEIS DES τ -NEUTRINOS  

   32

Abbildung  34: Target des DONUT - Detektors  18

7 SCHLUSSBEMERKUNGEN 33

7 Schlußbemerkungen

Mit den hier beschriebenen Versuchen sind inzwischen alle Quarks und Leptonen gefunden worden. Aus den LEP-Daten weiß man, daß keine weiteren Quark/Lepton-Familien zu erwarten sind. Ein große R¨ atsel sind jedoch die gewaltigen Unterschiede der jeweiligen Massen, was auch der Grund daf¨ ur ist, daß von der Entdeckung des c-Quarks bis zum experimentellen Nachweis des t-Quarks ¨ uber 20 Jahre vergangen sind.

Zum Gesamt¨ uberblick sind hier zum Schluß einmal die aktuellen Daten (Stand 2000) der Particle Data Group (PDG) gegeben:

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Literatur

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

[2] Teilchen, Felder und Symmetrien, diverse Authoren, Spektrum der Wissenschaft, ISBN 3-922508-29-4, S. 1ff., 6ff., 94ff. (1988)

[3] Introduction to High Energy Physics, D. H. Perkins, Addison-Wesley (1987)

[4] Entdeckung der J/Ψ 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

[6] The Discovery of Charm, Gerson Goldhaber (1984)

[7] Experimental Observation of a Heavy Particle J, J. J. Aubert et al., Phys. Rev. Lett. 33, 1404 (1974)

[8] Discovery of a Narrow Resonance in e ⁺ e − Annihilation, J.-E. Augustin et

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[9] Confirmation of the New 3.1 GeV-Particle, C. Bacci et al., Phys. Rev. Lett. 33, 1408 (1974)

[10] Measurement of e ⁺ e − → e ⁺ e − and e ⁺ e − → µ ⁺ µ − , J.-E. Augustin et al.,

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[11] Evidence for Anomalous Lepton Production in e ⁺ − e − Annihilation, M.

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[12] Electron-Positron Annihilation above 2 GeV and the New Particles, 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. Herb et al., Phys. Rev. Lett. 39, 252 (1977) √

[14] Evidence for Top Quark Production in p¯ p Collisions at s = 1.8 TeV, F.

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

[15] Existence of the Top Quark, F. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 74, 2626 (1995)

[16] Observation of the Top Quark, S. Abachi et al., Phys. Rev. Lett. 74, 2632 (1995)

[17] Physicists Find First Direct Evidence for Tau Neutrino at Fermilab, http://www.fnal.gov/directorate/public affairs/press releases/donut.html

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

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

LITERATUR 35

[20] Homepage Stanford Linear Accelerator, http://www.slac.stanford.edu/

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