Die Entdeckung des J/Ψ

14.12.04Vortrag zum Seminar Kern- und

TeilchenphysikMalte Mielke

Was ist 1974 Besonderes passiert?

• Entdeckung eines neuen Teilchens (J/Ψ), dass man als Verbindung einer neuen Quarksorte („Charm“) interpretieren konnte

• Endgültiger Durchbruch des Quark-Modells

• Bereits 1976 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet

Inhalt

• Einführung

• Experimente

• Theorie

• Das Problem mit den neutralen Strömen

• Voraussage eines neuen Quarks

Wissensstand vor November 1974

• Drei Quarks (up,

down, strange)• Vier Leptonen

(Elektron + Neutrino,

Myon + Neutrino)

Fehlt da was?

e e

u

d s

Exkurs in die Theorie der schwachen Wechselwirkung

• Bei schwachen Prozessen, in denen sich Neutrinos in Leptonen umwandeln (oder umgekehrt), spricht man von „Geladenen Strömen“

• Gibt es auch Prozesse in denen Neutrinos sich nicht umwandeln (Neutrale Ströme)?

XX

XX

sdK ,0

Zerfall konnte nicht nachgewiesen werden.

Aber: 1973 gelang der Nachweis der neutralen Ströme bei der Untersuchung von Neutrinowechselwirkungen.

Damalige Annahme: Wenn WW des neutralen Stroms existiert, müssen z.B. neutrale Kaonen in Myonenpaare zerfallen können:

Was verhindert den Zerfall der neutralen Kaonen?

Mögliche Lösung: Die Einführung von Charm

• 1970 entwickeltes Verfahren von Glashow, Iliopoulos und Maiani („GIM“)

• Grundlegende Annahme ist die Existenz eines vierten Quarks mit der neuen Quantenzahl Charm (ähnlich der Seltsamkeit des Strange-Quarks)

• Damit ist analog zur schwachen WW in u-d-Quarksystemen eine „zweite“ schwache Wechselwirkung denkbar, die zwischen s- und c-Quarks wirkt.

Zwei Wechselwirkungen ähnlicher Größenordnung, aber mit entgegen gesetztem Vorzeichen Destruktive Interferenz

Welche Eigenschaften sagt die Theorie voraus?

• c-Quark eine Art „Schwerer Bruder“ des u-Quarks mit Ladung +2/3

• Die Masse des c-Quarks hat Einfluss auf die WW des neutralen Stroms und darf daher nicht beliebig größer sein als die Masse des u-Quarks. Numerische Analyse: m < 2000 MeV

• Neuer Freiheitsgrad „charm“

Inhalt

• Einführung

• Experimente

• Theorie

• Erzeugung von Charmonium in Elektron-Positron-Reaktionen

• Erzeugung von Charmonium in Proton-Nukleon-Reaktionen

Die Entdeckung von Charmonium (J/ψ)

• Zwei unabhängig voneinander durchgeführte Experimente:

• SLAC (Stanford): Burton Richter

• BNL (Brookhaven): Sam Ting

,,/ eeHadronenJee

)()(/ XeeXJBep

Elektron-Positron-Kollisionen am SLAC

• Prinzip der Teilchenerzeugung:

1. Teilchen und Anti-Teilchen werden im Linearbeschleuniger beschleunigt und im Speichering zur Kollision gebracht

2. Bei der Vernichtung entsteht ein virtuelles Photon mit den Quantenzahlen

3. Die aus dem Photon entstehenden Teilchen erfüllen zwei Kriterien:

a) Die Gesamtmasse der erzeugten Partikel ist kleiner oder gleich der Energie des Photons

b) Die Quantenzahlen müssen in der Summe ergeben

1PJ

1PJ

SPEAR Speicherring

Einige Fakten zum Experiment

• Der Ring speichert je ein Bündel Elektronen und Positronen (Umlauf in entgegen gesetzte Richtungen!)

• Um die Teilchenbündel mehrere Stunden speichern zu können, wird der Druck auf 0,7 mPa gehalten

• Für die Energie im Massenschwerpunkt lassen sich Energien bis zu 8 GeV erreichen

• Die Energieverluste durch Synchrotron-Strahlung werden durch einen Hohlraumresonantor mit einer Leistung von bis zu 300 kW ausgeglichen

Mark 1 Detektor

Spule erzeugt Magnetfeld (0,4 T) parallel zur Strahlrichtung

Wie misst man was?• Impuls: Funkenkammern messen

Trajektorien der geladenen Teilchen. Aus der Krümmung im Magnetfeld lässt sich der Impuls berechnen

• Geschwindigkeit: Flugzeitmessung zwischen den Trigger-Zählern (Szintillationszähler)

• Teilchenidentifizierung: Elektronen bilden im Kalorimeter elektrom. Schauer aus, Hadronen werden durch Eisenmantel gestoppt. Die äußeren Funkenkammern können nur Myonen erreichen.

Proton-Nukleon-Experimente am BNL

• Grundideen des Experiments:

• Beschuss eines Beryllium-Targets mit Protonen der Energie 30 GeV

• Die bei der Reaktion entstehenden Elektronen und Positronen werden mit einem so genannten „Double Arm Spectrometer“ untersucht. Alle übrigen bei der Reaktion entstehenden Teilchen werden ignoriert.

Double-Arm-Spektrometer• Aufbau: Zwei „Arme“ im Winkel von 14,6°

zur Strahlrichtung mit folgenden Bestandteilen:

M0, M1, M2: Dipolmagnete A0, A, B, C: Vieldraht-

Proportionalkammern (Vermessung der Trajektorien)

C0, Ce: Cherenkov-Zähler (Identifizierung der Elektronen und Aussortierung unerwünschter Spuren)

• Um Winkel und Impulse aus den selben Trajektorien bestimmen zu können werden die Teilchen im Magnetfeld vertikal abgelenkt

Bestimmung der invarianten Masse eines Elektron-Positron-Paares

cos2 212122

21

2 ppEEmmm

• Gegeben: Impulse und Winkel • Relativistische Energie: • Mit c = ħ = 1 →

4222 cmpE

2212

21222 ppEEpEm

212122

21

2 22 ppEEmmm

Besonders viele Teilchen einer bestimmten Masse

→ Hinweis auf neues Teilchen

Ergebnisse der Experimente• Deutliche Resonanzen

bei 3,097 GeV (J/ψ) und 3,686 GeV (ψ‘)

• Sehr geringe Halbwertsbreiten (gemessene FWHM resultieren aus den Detektorauflösungen bzw. Strahlauflösungen)

• Damit verbunden: Hohe Lebensdauer des Zustands

BNL SLAC

Zerfallsrate des J/ψ: Hadronen: 88% Elektronen: 6% Myonen: 6%

Berechnung der tatsächlichen Halbwertsbreite

0

2

22

2

3 eedEE

eeee

Integration über Wirkungsquerschnitt σ (Aus Breit-Wigner-Formel) der Reaktion liefert

SLAC

Das Integral entspricht der Fläche unter der Kurve des - Diagramms. Diese lässt sich numerisch bestimmen:

MeVnbdEE 9000

eeee

fm13,0

: de Broglie Wellenlänge der Teilchen im Ursprung

Г: Gesamte Halbwertsbreite

Mit und 06,0

ee folgt für Г:

Tatsächliche Halbwertsbreite des J/ψ: Г = 0,091 MeV

Inhalt

• Einführung

• Experimente

• Theorie

• Interpretation der Resonanzen und Halbwertsbreiten

• Das Spektrum von Charmonium

• Quark-Antiquark-Potential

• Der Zerfall von ψ‘

Interpretation der entdeckten Resonanzen

• Gebundener Zustand eines neuen Quarks mit seinem Antiquark:

• Lebensdauer: J/ψ lebt 1000 mal länger

als vergleichbare Resonanzen

ψ‘ zeigt ähnliches Verhalten

Charmoniumcc

s2010

Wieso leben J/ψ und ψ‘ so lange?

Die Zerfallskanäle von J/ψ• Zerfall über die starke WW: (a) (b) • Zerfall über elektromagnetische WW:

Hadr., Lept. (c)

• Zerfall (a) ist bevorzugt, findet aber nicht statt, da die D-Mesonen zu schwer sind (m = 1,86 GeV)

• Zerfall (b) ist vergleichsweise langsam, da wegen Farb- und Paritätserhaltung drei Gluonen entstehen müssen

• Elektromagnetische Prozesse (c) sind wesentlich schwächer als Prozesse der starken WW

cuDcuDccJ ,,,/ 00 HadronengggccJ ,/

.,/ virtccJ

(a)

(b) (c)

J/ψ zerfällt zu 70% über (b) und zu 30% über (c)

Die Zerfallskanäle von J/ψ• Zerfall über die starke WW: (a) (b) • Zerfall über elektromagnetische WW:

Hadr., Lept. (c)

• Zerfall (a) ist bevorzugt, findet aber nicht statt, da die D-Mesonen zu schwer sind (m = 1,86 GeV)

• Zerfall (b) ist vergleichsweise langsam, da wegen Farb- und Paritätserhaltung drei Gluonen entstehen müssen

• Elektromagnetische Prozesse (c) sind wesentlich schwächer als Prozesse der starken WW

cuDcuDccJ ,,,/ 00 HadronengggccJ ,/

.,/ virtccJ

(a)

(b) (c)

J/ψ zerfällt zu 70% über (b) und zu 30% über (c)

Das Spektrum von Charmonium – Vergleich mit Positronium

• Für n = 1 und n = 2 große Ähnlichkeit der Spektren, für höheren Quantenzahlen aber verschieden

• Bei kleinen Abständen verläuft das Potential coulomb-artig, bei größeren Abständen wächst es linear („Quark-Confinement“)

Notation unterschiedlich:

Charmonium:

n = N + 1

Positronium:

n = N + L + 1

Quark-Antiquark-Potential

• Kopplungskonstante wird kleiner mit kleiner werdendem Abstand

• Bei kleinen Abständen können Quarks als quasifreie Teilchen betrachtet werden („asymptotische Freiheit“)

rkr

crV s

3

4

:s Kopplungskonstante der

starken WW

Zerfall des ψ‘

• Bei der direkten Erzeugung von Charmonium über ein virtuelles Photon können nur Zustände mit den Quantenzahlen entstehen. Die übrigen Zustände entstehen durch Zerfälle.

• Für ψ‘ existieren acht erlaubte Übergänge. Sie können durch Nachweis der bei den Zerfällen entstehenden Photonen nachgewiesen werden

• Auswahlregel für elektrische Dipolübergänge: ΔL = 1 ΔS = 0• Auswahlregel für magnetische Dipolübergänge: ΔL = 0 ΔS = 1

132 S

1PJ

Pho

ton

enza

hl

Photonenenergie [MeV] L = 0 L = 0 L = 1

S = 0 S = 1 S = 1

Zerfall des ψ‘ im Mark 1 Detektor