TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE Vorlesung am 5. Mai 2006 Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg, IExpPh Sommersemester 2006.

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1 TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE Vorlesung am 5. Mai 2006 Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg, IExpPh Sommersemester 2006

2 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 2 ÜBERBLICK 1.Die quantenmechanische Beschreibung von Elektronen 2.Feynman-Regeln und –Diagramme 3.Lagrange-Formalismus und Eichprinzip 4.QED 4.1 Volle Lagrange-Dichte der QED 4.2 Höhere Ordnungen und Renormierung 4.3 Experimentell: Lamb-Shift, g-2 Einschub: Beschleuniger und Experimente 5.Starke Wechselwirkung und QCD

3 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 3 ANMERKUNGEN Zur Frage, ob die invariante Theorie (L) noch das freie Elektron beschreibt: Antwort: Nein! Aber das ist egal – ein freies Teilchen ist uninteressant. Wir wollen Prozesse beschreiben (Raten, Wirkungsquerschnitte etc.) – das aber setzt Wechselwirkungen voraus – und damit die Existenz von Photonen. Die Beschreibung des freien Elektrons bleibt von der Frage der Eichung unberührt. (In gewisser Umweg mit Dirac etc. nur, um die Form der Spinoren plausibel zu machen!) Zur Frage, ob das z.B. mit negativer Helizität in HERA einlaufende Elektron nach der “charged current”-Reaktion zu einem linkshändigen Neutrino führt, das kein Eigenzustand der Helizität ist. Antwort: Das Neutrino ist nach der Wechselwirkung eine Überlagerung aus positiver und negativer Helizität – kein Eigenzustand! (Allerdings ist die Masse des Neutrinos effektiv 0!) e–e– W–W– e

4 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 4 WIEDERHOLUNG: LAGRANGE-FORMALISMUS Analog zur klassischen Mechanik definiert man (axiomatisch) Lagrange-Dichten. Mithilfe der Euler-Lagrange-Gleichung leitet man daraus die Bewegungsgleichungen und auch die Feynman-Regeln der Theorie ab. Beispiel: Auch im Lagrange-Formalismus kommt man mit dem Postulat der lokalen Eichinvarianz zur Existenz der Eichfelder und zur vorgegebenen Form der Wechselwirkungen. Lagrange-Dichte der QED: In lokal eichinvarianten Theorien müssen Eichbosonen masselos sein: Dieser Ausdruck ist nicht eichinvariant. Da es massive Eichbosonen gibt, muss es eine Lösung geben: Higgs-Mechanismus und “spontan gebrochene” oder “versteckte” Symmetrien! Man kann eine Eichtransformation durchführen, die die Lorentz-Eichung erhält und zu transversal polarisierten Photonen führt:

5 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 5 4.1 DIE LAGRANGE-DICHTE DER QED Die vollständige Lagrange-Dichte der QED (Elektron, Positron, Photon) lautet: Dieser Ausdruck ist invariant unter lokalen U(1)- Eichtransformationen (die Phasentrafos exp(iq  ) bilden die unitäre abelsche Gruppe U(1)). Noch mal: Nach dem Noether-Theorem impliziert diese Invarianz die Erhaltung eines Stromes, und zwar des Stromes, dessen Ladung q ist! Kinetischer Term der Photonen Massen- Term der Leptonen Wechsel- wirkung, Kopplung q Kinetischer Term der Leptonen

6 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 6 4.2 HÖHERE ORDNUNGEN UND RENORMIERUNG Aus der Diskussion der Feynman-Regeln leiten wir die Formel der nächsten Ordnung ab (“Vakuum- polarisation”): Effektiv: Modifikation des Propagator-Terms der niedrigsten Ordnung: Problem: Das Integral divergiert (effektiv nur logarithmisch, nicht wie  k 3 dkk 2 /k 4 ~k 2, wie man erwarten würde)! Dielektrische Medium  Ladung polarisiert: Bei kleineren Abständen mehr von zentraler Ladung sichtbar. Konzept der “laufenden” Kopplung ist einleuchtend. Aber wie quantifizieren? Wir nehmen als Beispiel die Elektron-Myon- Streuung: Bekannt ist die niedrigste Ordnung:

7 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 7 4.2 HÖHERE ORDNUNGEN UND RENORMIERUNG Da steckt aber immer noch eine Unendlichkeit drin … was tun damit? Idee: Wir saugen sie in der “renormierten” (besser: “reparametrisierten”) Ladung e R auf (e ist die “nackte” Ladung): Damit wird die Amplitude zu: Zu beachten:  Die letzte Gleichung ist nur korrekt bis Ordnung e 4 – man kann also in der Klammer auch e verwenden.  Es gibt keine Unendlichkeiten mehr – es tritt kein M in der Formel auf. Die Verwendung von e R macht Sinn – schliesslich ist e R die Messgröße!  Der endliche Term f(q 2 ) hängt von q 2 ab! Diese Abhängigkeit kann in die Kopplung absorbiert werden (  ). Man kann zeigen: Um mit der Divergenz um zugehen, wird Cutoff M eingeführt (wird am Ende nach  geschickt): Damit folgt (kleine/grosse q 2, q 2 =-Q 2 ): … und die Amplitude der Elektron-Myon-Streuung einschliesslich der ersten Korrektur wird: Divergiert!Endlich, f(q 2 )!

8 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 8 4.2 HÖHERE ORDNUNGEN UND RENORMIERUNG (Beachte, dass rechts die nackte Ladung steht!) Auswerten der geometrischen Reihe: Im Limes grosser q 2 : Jetzt stört nur noch die Abhängigkeit von M. Man kann definieren: Hier ist  die Feinstrukturkonstante  =e 2 /4 . Man spricht von der laufenden Kopplungskonstante – was natürlich ein Widerspruch in sich ist ;-) … Warum wurde dieser Effekt nicht von Coulomb, Milikan, Rutherford beobachtet? Er ist sehr klein:  (0)=1/137,  (100 GeV)=1/128. Aber das Spiel geht ja noch weiter: Jede Loop liefert ein Integral I(q 2 ) – man kann schematisch schreiben:

9 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 9 4.2 HÖHERE ORDNUNGEN UND RENORMIERUNG Messung der laufenden Kopplung z.B. bei LEP in Bhabha-Streuung (Verbindung zu neuer Übungsaufgabe): Ausnutzung von Klein-Winkel-Kalorimetern (SiW in OPAL). Da absolute Bestimmung der Kopplung unabhängige Messung der Lumi bräuchte, kann man nur Variation der Kopplung mit t – also mit dem Streuwinkel – messen. Idee: Berechne Kopplung an einer Referenzskala (zum Beispiel einer bestimmten Masse  ) und bilde die Differenz. Ergebnis: Dieses Ergebnis ist exakt auf 1-Loop-Niveau. Die laufende Kopplung beschreibt, wie die effektive Ladung vom Abstand zweier Ladungen abhängt. Das Ergebnis ist wie naiv erwartet (charge screening): kleiner Abstand  grosses Q 2   steigt. grosser Abstand  kleines Q 2   sinkt. Man sieht an der Formel, dass der Verlauf der Kopplung mit der Energie (q 2 ) festliegt (Renormierungsgruppengleichung!), dass aber die Normierung experimentell bestimmt werden muss! Born Kopplung bei t, Feinstrukturkonst. Strahlung  /Z-s-Kanal

10 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 10 4.2 HÖHERE ORDNUNGEN UND RENORMIERUNG

11 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 11 4.2 HÖHERE ORDNUNGEN UND RENORMIERUNG Verschiedene Korrekturen tragen bei zur Berechnung der laufenden Kopplungskonstante:

12 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 12 4.2 HÖHERE ORDNUNGEN UND RENORMIERUNG Mit der Ordnung steigt die Anzahl der zu berechnenden Diagramme drastisch an. Das sind Beiträge zur Ordnung  3. Es gibt aber noch weitere Korrekturen, z.B.: Mithilfe der Ward-Identität kann man zeigen, dass sich die Effekte dieser Diagramme auf die Kopplung herauskürzen (und zwar Ordnung per Ordnung in der Störungstheorie). Aber: Die Diagramme haben Einfluss auf die Masse des Elektrons (wird auch renormiert) und auf das magnetische Moment. Diagramme wie … … haben endliche Ergebnisse …

13 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 13 4.3 “g-2” Experimenteller Zugang: Vergleich von Zyklotron- Frequenz des Teilchens im B-Feld … … und der Larmor-Frequenz der Spin-Präzession im B-Feld: Zu t=0 seien Spin und Impuls des Teilchens parallel  Oszillation des Winkels  (t) zwischen Spin und Impuls: Erinnerung an Pauli-Gleichung (Limes der Dirac- Gleichung im EM-Feld): Allgemein gilt: Mit der potentiellen Energie kann man sehen, dass das Elektron den Lande- Faktor g=2 haben sollte: Also Vorhersage Dirac: Experiment: Lande-Faktor Bohr’sches Magneton Spin

14 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 14 4.3 “g-2” - Einschuss von Pionen in Speicherring mit konstantem B-Feld, das durch NMR an Protonen bestimmt wird. Larmor-Frequenz des Protons: - Myonen sind polarisiert aufgrund der schwachen Wechselwirkung/P-Verletzung im Pion- Zerfall. Myonen zerfallen in Elektronen und Neutrinos, wobei Elektronen bevorzugt entgegen Spinrichtung des Myons gerichtet sind. - Nachweis des Winkeldifferenz durch Modifikation der Zählrate von Zerfallselektronen   e e  in Kalorimetern: Überlagerung des Zerfallsspektrums der Myonen mit Oszillation:

15 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 15 4.3 “g-2” Anpassung der Erwartung in einem Fit liefert Wert von (g-2)/2: Erklärung der Abweichung von g=2: Vertex-Korrekturen!

16 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II5.5.2006 - 16 4.3 LAMB-SHIFT Erinnerung: Ladungsrenormierte Amplitude: Der neue Term entspricht einer WW zwischen Elektron und Target, der zu einer Modifikation des Potentials führt (aufgrund der WW des Elektrons mit der Elektronenwolke um die Ladung Ze): Dieser Effekt und andere (weitere Ordnungen, Vertex-Korrekturen etc.) modifiziert v.a. nahe am Kern befindliche Orbitale  Lamb-Shift (Aufspaltung von 2s 1/2 und 2p 1/2 )! Gemessen Auf 0.01%  extrem genauer Test der Ideen höherer Ordnungen, Renormierung. Coulomb-TermExtra q -2