1 Vektorbosonen Kilian Leßmeier Universität Bielefeld.

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VektorbosonenVektorbosonenKilian LeßmeierKilian Leßmeier

Universität BielefeldUniversität Bielefeld

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InhaltInhalt

TeilchenartenTeilchenarten Die 4 GrundkräfteDie 4 Grundkräfte Die W-BosonenDie W-Bosonen Das Z-BosonDas Z-Boson Experimenteller NachweisExperimenteller Nachweis ZusammenfassungZusammenfassung

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TeilchenartenTeilchenarten

- Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen:Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen:

- Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin- Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin

- Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin- Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin

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- Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen :Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen :



- Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks;Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks;

Leptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schonLeptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schon

- Unterteilung der Bosonen in Higgs-Teilchen und EichbosonenUnterteilung der Bosonen in Higgs-Teilchen und Eichbosonen

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- Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen :Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen :



- Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks;Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks;

Leptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schonLeptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schon

- Unterteilung der Bosonen in Higgs-Teilchen und EichbosonenUnterteilung der Bosonen in Higgs-Teilchen und Eichbosonen

- Als Eichbosonen bezeichnet man Photonen, Gluonen, Graviton Als Eichbosonen bezeichnet man Photonen, Gluonen, Graviton und die und die VektorbosonenVektorbosonen

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Die 4 GrundkräfteDie 4 Grundkräfte

- Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich: 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich:

1. Starke WW 1. Starke WW

- stärkste WW- stärkste WW

- Reichweite ~ 2,5*10^-15 m- Reichweite ~ 2,5*10^-15 m

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2. Elektromagnetische WW2. Elektromagnetische WW

- ~10^-2 mal so stark wie Starke WW- ~10^-2 mal so stark wie Starke WW

- unendliche Reichweite- unendliche Reichweite

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3. Schwache WW3. Schwache WW


- Reichweite ~10^-18 m- Reichweite ~10^-18 m

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3. Schwache WW3. Schwache WW


- Reichweite ~10^-18 m- Reichweite ~10^-18 m

4. Gravitation4. Gravitation

- schwächste WW (Faktor ~10^-38)- schwächste WW (Faktor ~10^-38)


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- Eichbosonen sind die Austauschteilchen der 4 Grundkräfte und Eichbosonen sind die Austauschteilchen der 4 Grundkräfte und vermitteln diese Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchenvermitteln diese Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen

- Gluonen <-> Starke WW- Gluonen <-> Starke WW

- Photon <-> Elektromagnetische WW- Photon <-> Elektromagnetische WW

- - VektorbosonenVektorbosonen <-> Schwache WW <-> Schwache WW

- Graviton <-> Gravitation- Graviton <-> Gravitation

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Die W-BosonenDie W-Bosonen

- Aus der Energie-Zeit-Unschärfe lässt sich ein Zusammenhang Aus der Energie-Zeit-Unschärfe lässt sich ein Zusammenhang zwischen Reichweite und Ruheenergie der Austauschteilchen zwischen Reichweite und Ruheenergie der Austauschteilchen herstellen:herstellen:

m0c² Δt = m0c² R/c ≈ h/2π → R ≈ hc/ (2π m0c²)

- Als Fermi in den dreißiger Jahren erstmals die schwache WW behandelte, Als Fermi in den dreißiger Jahren erstmals die schwache WW behandelte, nahm er an, dass das Austauschteilchen die Reichweite R=0 hatnahm er an, dass das Austauschteilchen die Reichweite R=0 hat

=> Austauschteilchen müsste unendliche Ruheenergie haben,=> Austauschteilchen müsste unendliche Ruheenergie haben,

was unphysikalisch ist was unphysikalisch ist

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- Das Problem der unendlichen Ruheenergie wurde 40 Jahre später - Das Problem der unendlichen Ruheenergie wurde 40 Jahre später von Glashow, Salam und Weinberg gelöst:von Glashow, Salam und Weinberg gelöst:

- Sehr kleine Reichweite- Sehr kleine Reichweite

=> große, aber endliche Ruheenergie=> große, aber endliche Ruheenergie

- Außerdem gelang es ihnen die elektromagnetische und die Außerdem gelang es ihnen die elektromagnetische und die schwache WW zur „elektro-schwachen“ WW zu vereinigenschwache WW zur „elektro-schwachen“ WW zu vereinigen

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Der Beta-ZerfallDer Beta-Zerfall- Man unterscheidet 2 Arten: - Man unterscheidet 2 Arten:

1.1. n + νe → p + e- (β-)

2. 2. p + e- → n + νe (β+)

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Der Beta-ZerfallDer Beta-Zerfall- Man unterscheidet 2 Arten: - Man unterscheidet 2 Arten:

1.1. n + νe → p + e- (β-)

2. 2. p + e- → n + νe (β+)

- Fall 1 im Feynman-Diagramm dargestellt:Fall 1 im Feynman-Diagramm dargestellt:

=> Es werden ein W=> Es werden ein W++ und ein W und ein W-- benötigt benötigt

-Ruheenergie der Bosonen ~100GeV-Ruheenergie der Bosonen ~100GeV

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Das Z-BosonDas Z-Boson

- Die elektroschwache Theorie sagte ein zusätzliches ungeladenes Die elektroschwache Theorie sagte ein zusätzliches ungeladenes Austauschteilchen voraus, das ZAustauschteilchen voraus, das Z0 0

=> Es muss einen Austausch neutraler Ströme geben,=> Es muss einen Austausch neutraler Ströme geben, z.B. in Form von Streuung von einem Elektron an einemz.B. in Form von Streuung von einem Elektron an einem Elektron-Antineutrino:Elektron-Antineutrino:

- Vorhersage neutraler Ströme blieb lange Zeit unbeachtetVorhersage neutraler Ströme blieb lange Zeit unbeachtet- 1973 gelang der Nachweis neutraler Ströme am CERN1973 gelang der Nachweis neutraler Ströme am CERN=> Die elektroschwache Theorie wurde akzeptiert und man fing an nach den=> Die elektroschwache Theorie wurde akzeptiert und man fing an nach den vorhergesagten Austauschteilchen zu suchenvorhergesagten Austauschteilchen zu suchen

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Experimenteller NachweisExperimenteller Nachweis

- Energie beim β –Zerfall liegt bei wenigen MeV, was im Vergleich zu den - Energie beim β –Zerfall liegt bei wenigen MeV, was im Vergleich zu den 100GeV Ruheenergie der W-Bosonen sehr wenig ist100GeV Ruheenergie der W-Bosonen sehr wenig ist

=> Bosonen kommen nur als virtuelle Teilchen vor=> Bosonen kommen nur als virtuelle Teilchen vor

=> Einzige Möglichkeit die Vektorbosonen zu messen ist sie real zu erzeugen=> Einzige Möglichkeit die Vektorbosonen zu messen ist sie real zu erzeugen

=> Energie zur Erzeugung kann nur durch einen Stoß hochenergetischer => Energie zur Erzeugung kann nur durch einen Stoß hochenergetischer

Teilchen aufgebracht werden, wobei das Z-Boson 100 GeV und die Teilchen aufgebracht werden, wobei das Z-Boson 100 GeV und die

W-Bosonen aufgrund der Ladungserhaltung 200 GeV benötigen werdenW-Bosonen aufgrund der Ladungserhaltung 200 GeV benötigen werden

- Einfachste Möglichkeit wäre ein Elektron-Positron-Collider gewesen, der - Einfachste Möglichkeit wäre ein Elektron-Positron-Collider gewesen, der damals aber noch nicht zur Verfügung stand damals aber noch nicht zur Verfügung stand

1717


- Idee von Rubbia: Proton-Antiproton-Stöße müssten W-Bosonen erzeugen- Idee von Rubbia: Proton-Antiproton-Stöße müssten W-Bosonen erzeugen

=> => Problem:Problem: Wie erzeugt man ‘kalten‘ Antiprotonenstrahl? Wie erzeugt man ‘kalten‘ Antiprotonenstrahl?

- Grundideen: - Kühlen bedeutet Energiebreite und Emittanz zu verkleinern- Grundideen: - Kühlen bedeutet Energiebreite und Emittanz zu verkleinern

- Theorem von Liouville: Emittanz = const- Theorem von Liouville: Emittanz = const

~> Emittanz kann nur durch WW mit einem äußeren Medium~> Emittanz kann nur durch WW mit einem äußeren Medium

verändert werden (z.B. Elektronen- oder Laserkühlung)verändert werden (z.B. Elektronen- oder Laserkühlung)

- Lösung des Problems durch van der Meers „stochastische Kühlung“:- Lösung des Problems durch van der Meers „stochastische Kühlung“:

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1. Plattenpaar misst Position 1. Plattenpaar misst Position

des Teilchenstrahlsdes Teilchenstrahls

2. Bei Abweichung: Signal an2. Bei Abweichung: Signal an

KickerKicker

1919


1. Plattenpaar misst Position 1. Plattenpaar misst Position

des Teilchenstrahlsdes Teilchenstrahls

2. Bei Abweichung: Signal an2. Bei Abweichung: Signal an

KickerKicker

3. Teilchen werden am Kicker auf 3. Teilchen werden am Kicker auf richtige Bahn gebracht,richtige Bahn gebracht,

ABER: Die T. auf der richtigen ABER: Die T. auf der richtigen Bahn werden falsch abgelenktBahn werden falsch abgelenkt

2020


1. Plattenpaar misst Position 1. Plattenpaar misst Position des Teilchenstrahlsdes Teilchenstrahls2. Bei Abweichung: Signal an2. Bei Abweichung: Signal an KickerKicker3. Teilchen werden am Kicker auf 3. Teilchen werden am Kicker auf

richtige Bahn gebracht,richtige Bahn gebracht, ABER: Die T. auf der richtigen ABER: Die T. auf der richtigen

Bahn werden falsch abgelenktBahn werden falsch abgelenkt4. Kein Problem: Nach der mittleren 4. Kein Problem: Nach der mittleren

Zeit τ ~ N/B besitzt der Strahl nur Zeit τ ~ N/B besitzt der Strahl nur noch eine Impulsunschärfe vonnoch eine Impulsunschärfe von

Δp/p ≈ 10Δp/p ≈ 10--³³

=> Antiprotonen können über => Antiprotonen können über Stunden gespeichert werdenStunden gespeichert werden

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- 1983 gelang zwei Gruppen, darunter Rubbias, die Erzeugung, der Nachweis - 1983 gelang zwei Gruppen, darunter Rubbias, die Erzeugung, der Nachweis und die Massenbestimmung eines W-Bosons über den Zerfall: und die Massenbestimmung eines W-Bosons über den Zerfall:

WW++ → e → e++ + ν + νee

- Messung erfolgte über zylindrische Detektoren um den Kollisionspunkt, - Messung erfolgte über zylindrische Detektoren um den Kollisionspunkt, über die Impuls, Energie und Ladung der Zerfallsteilchen bestimmbar warenüber die Impuls, Energie und Ladung der Zerfallsteilchen bestimmbar waren

- Die Bestimmung der Masse gelang dadurch, dass beim obigen Zerfall das - Die Bestimmung der Masse gelang dadurch, dass beim obigen Zerfall das Neutrino dem Detektor entgingNeutrino dem Detektor entging

=> Maximal möglicher Transversalimpuls des Positrons: 1/2 M=> Maximal möglicher Transversalimpuls des Positrons: 1/2 MWW c c

=> Energie des W-Bosons: M=> Energie des W-Bosons: MWW c² = (80,22 +- 0,26) GeV c² = (80,22 +- 0,26) GeV

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- Nachweis des Z-Bosons ebenfalls 1983- Nachweis des Z-Bosons ebenfalls 1983

- Genauere Messung ab 1989 mit Inbetriebnahme des LEP (Large - Genauere Messung ab 1989 mit Inbetriebnahme des LEP (Large Electron-Positron Ring) möglich, aufgrund der höheren Energie Electron-Positron Ring) möglich, aufgrund der höheren Energie von 110 GeV über die Zerfallsart:von 110 GeV über die Zerfallsart:

ee++ + e + e-- → Z → Z00 → e → e++ + e + e--

- Die Messungen ergaben für die Masse:- Die Messungen ergaben für die Masse:

MMZZc² = (91,173 +- 0,02) GeV c² = (91,173 +- 0,02) GeV

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ZusammenfassungZusammenfassung

- Vektorbosonen sind die Austauschteilchen der schwachen WWVektorbosonen sind die Austauschteilchen der schwachen WW

- Die elektroschwache Theorie von Salam, Weinberg und Glashow Die elektroschwache Theorie von Salam, Weinberg und Glashow sagte zwei geladene W-Bosonen, das Wsagte zwei geladene W-Bosonen, das W++ und das W und das W--, und ein , und ein ungeladenes Z-Boson vorausungeladenes Z-Boson voraus

- Alle Vektorbosonen wurden experimentell nachgewiesenAlle Vektorbosonen wurden experimentell nachgewiesen

- Beeindruckende Bestätigung der Theorie Beeindruckende Bestätigung der Theorie

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QuellenangabeQuellenangabe

http://www.physik.uni-bielefeld.de/~shoshi/prosem_08/v12.pdf http://public.web.cern.ch/public/

http://adweb.desy.de/~rossbach/uni/Beschleunigerphysik1c.pdfhttp://adweb.desy.de/~rossbach/uni/Beschleunigerphysik1c.pdf

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