Entdeckung schwerer Quarks und Leptonen

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Entdeckung des J/ Ψ
2.1 Brookhaven-Experiment
2.2 SLAC-Experiment
2.3 Quarkonium
2.4 Mesonen mit Charm

3 Entdeckung des τ -Leptons

4 Entdeckung des Υ

5 Das top-Quark

6 Nachweis des τ -Neutrinos

7 Schlußbemerkungen

Zusammenfassung

In diesem Seminarbeitrag werden die Experimente vorgestellt, welche dem Standardmodell der Teilchenphysik zu seiner allgemeinen Anerken- nung verhalfen und zu der anschließenden Erweiterung maßgeblich beige- tragen haben.

1 Einleitung

Mit dem Beginn der zweiten H¨alfte des vergangenen Jahrhunderts konnte durch Verbesserung der Meßtechnik und durch den Bau von Teilchenbeschleunigern eine schon fast unu¨berschaubare Anzahl neuer ,,Elementarteilchen” entdeckt werden, welche sich allerdings gr¨oßtenteils als kurzlebig und instabil herausstell- ten. Zu diesem Zeitpunkt gab es auch kein theoretisches Kriterium, welches eine Klassifizierung von Teilchen als elementar oder als nicht elementar erm¨oglicht

h¨atte. Viele Physiker waren damals der Meinung, daß die starke Wechselwir- kung doch nicht durch eine Feldtheorie zu erkl¨aren sei und nach vollkommen neuen Konzepten gesucht werden mu¨sse. Ans¨atze dieser Richtung waren bei-

spielsweise nuclear democracy und b o otstrap. Fu¨r einen historischen U¨ berblick verweise ich auf [2] und [1].

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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¨orungstheoreti- sche Beschreibungen noch relativ problemlos m¨oglich gewesen, bei hohen Ener- gien jedoch hat erst Steven Weinberg durch die Einfu¨hrung seiner elektroschwa- chen 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, star- ke Wechselwirkung und schwache Wechselwirkung. Diese Diskrepanz zwischen der relativen ,,Schlichtheit” der Kr¨afte und der Fu¨lle scheinbar elementarer Teil- chen war natu¨rlich h¨ochst unbefriedigend und es lag die Vermutung nahe, die bisher bekannten Teilchen k¨onnten eine einfachere Substruktur besitzen und lediglich die Kombinatorik sei fu¨r die große Diversit¨at der neu entdeckten Teil- chen 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 Ladungsmul- tipletts in Supermultipletts einbettete. Diese Anordnung umfasste acht Quan- tenzahlen, weshalb man damals auch vom achtfachen Weg sprach. Die anf¨ang- liche Skepsis diesem Modell gegenu¨ber schwand, als 1964 das so vorausgesagte Omega-Teilchen entdeckt werden konnte. Die Systematik des achtfachen Weges fu¨hrte 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 un- abh¨angig voneinander eine Erkl¨arung vorgeschlagen.

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Abbildung 2: Murray Gell-Mann [1].

Die Annahme, alle Hadronen seine aus Subpartikeln, vom Gell-Mann Quarks genannt, zusammengesetzt, fu¨hrte automatisch zur einfachsten nichttrivialen Familie des achtfachen Weges. Diese Quarks mußten dabei drittelzahlige Ele- mentarladungen besitzen. Demnach setzen sich Mesonen aus Quark und An- tiquark zusammen w¨ahrend Baryonen aus drei Quarks bestehen. Durch diese einfachen Regeln ergaben sich bei einer Anzahl vor drei verschiedenen Quarks (u p, d own, s trangeness^[1] ) alle damals bekannten Hadronen. Das dritte Quark, das s, ben¨otigte man nur fu¨r seltsame Teilchen, was zu einem neuen Verst¨andnis

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Abbildung 3: George Zweig [1].

der Strangeness (beispielsweise bei K, Λ, Ξ) und der damit verbundenen hohen Lebensdauer als Folge der Quarkstruktur fu¨hrte.

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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 bezu¨glich eines neu einzufu¨hrenden Freiheitsgrades, der F a rbladung, unterscheiden. Die so zusammengesetzten Teil- chen mu¨ßten nach außen hin farblich neutral sein, was die Beschr¨ankung auf Teilchen aus zwei oder drei Quarks aufgrund des Pauliprinzips zu Folge hat.

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Außerdem existieren noch die zugeh¨origen Antiteilchen!

Elementarteilchen nach dem Quarkmodell:

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Fu¨hrt man nun eine Eichtheorie fu¨r 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

Lebensdauer seltsamer Teilchen erkl¨arlich. Ein weiters Beispiel ist der Betazer- fall, 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 Einfu¨hrung von intermedi¨aren Vektorbosonen (q = ± e) als Austauschteilchen erkl¨aren, welche

im Gegensatz zu den bisher bekannten Austauschteilchen selbst eine Masse be- sitzen. Quarks k¨onnen demnach ihren Typ (Flavor) ¨andern, indem sie solche Vektorbosonen emittieren oder absorbieren. Da diese Austauschteilchen auch in ladungsfreier Variante existieren mu¨ßten (Z 0), wie von Glashow 1961 gezeigt, sollte es (weitgehend unterdru¨ckte) neutrale schwache Str¨ome, die die Stran- geness ¨andern, geben, denn nach Cabibbo nehmen d- und s-Quark um einen Mischungswinkel θ c,,rotiert” an der schwachen Wechselwirkung teil [3]:

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Damit ergibt sich fu¨r das Matrixelement der Z 0-Kopplung:^[2]

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Da sin θ C ƒ = 0, sollten damit also strangeness¨andernde neutrale Str¨ome existie- ren. Diese sind aber experimentell nie beobachtet worden.

Von Glashow, Iliopoulos und Maiani (GIM) wurde deshalb damals die Existenz eines vierten Quarks (Charm) postuliert. Die Begru¨ndung 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),

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

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Da der zweite Term verschwindet, folgt die Nichtexistenz strageness¨andernder neutraler Str¨ome durch die Postulation eines vierten Quarks. Außerdem spra- chen auch Symmetriegru¨nde fu¨r das Vorkommen des Charm-Quarks.

Experimentell konnte diese Vermutung im November 1974 best¨atigt werden, was die Richtigkeit des Quarkmodells nahelegte und zu seinem endgu¨ltigen Durchbruch verhalf (Schlagwort: Novemberrevolution).

2 Entdeckung desJ/Ψ

Das J / Ψ-Teilchen (| cc ¯ )) 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, wofu¨r 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]:

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Zu diesem Zweck hatte man um das Target herum ein zweiarmiges Spektrometer

installiert, dessen Funktionsweise an dieser Stelle erl¨autert werden soll [4]. Fu¨r den zwischen den Spektrometerarmen eingeschlossenen Winkel θ ergibt sich folgender Zusammenhang, wenn man aufgrund der hohen Enegie die N¨aherung

E ≈ p zul¨aßt:

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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

Abbildung 4: Samuel C. C. Ting [21].

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Abbildung 5: Skizze des Brookheaven-Spektrometers [4].

fu¨r 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 Geschwin- digkeitsmessung dieser geladenen Partikel wurde durch die Verwendung von Cherenkovz¨ahlern m¨oglich. Hierbei kamen zwei verschiedene Verfahrensweisen zum Einsatz. Fu¨r die Bestimmung der Geschwindigkeit positiv geladener Teil- chen verwendete man einen sogenannten differentiellen Cherenkovz ¨ ahler [3].

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Abbildung 6: Zum O¨ ffnungswinkel des Cherenkov-Kegels.

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l¨aßt sich die Geschwindigkeit β somit aus dem O¨ ffnungswinkel des Wellenfron- tenkegels 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 geschalte- te Cherenkovz¨ahler (C 0, C e) mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsschwellen (β > 1 ) fu¨r das Auftreten von Cherenkovstrahlung. Erst von dieser Gren- ze 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 Ablenkma- gneten um diese zu entkoppeln und somit den Strahlungsuntergrund durch Se- kund¨arelektronen, welche ja eine geringere Energie haben, zu eliminieren.

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.

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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 Strahl- intensit¨at modifizierte, sich die Lage des Peaks jedoch nicht ¨anderte. Konse- quenterweise mußte es sich also um ein bisher unbekanntes Teilchen mit einer Masse von 3,1 GeV handeln, welchem man den Namen J gab.

2.2 SLAC-Experiment

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

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Abbildung 8: Burton Richter [20].

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 aufeinander- geschossen [4], [8]. Von Interesse war dabei der Vorgang

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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 Funkenkam- mern zur Bahnbestimmung geladener Teilchen angeordnet. Legte man dabei noch ein ¨außeres Magnetfeld an, so ergab sich aus der Bahnkru¨mmung der Teil- chenimpuls. Auf diese Kammern folgten weitere Szintillationsz¨ahler, wodurch sich im Zusammenspiel mit den Triggerz¨ahlern die zum Durchqueren der Fun- kenkammern 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 Photo- nen vollst¨andig abbremsen (Energieverlust nach Bethe-Bloch). Aufgrund einer orthogonalen Anordnung der Szintillatoren ließ sich dabei die Schauerentwick- lung 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.

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Abbildung 9: SPEAR - Speicherring [20]

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Abbildung 10: Querschnitt MARK I [10].

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^[1] von Gell-Mann damals noch mit sideways bezeichnet

^[2] Eigentlich gilt dies nur fu¨r linksh¨andige Teilchen.

^[3] Stanford Linear Accelerator