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1 Vektorbosonen Kilian Leßmeier Universität Bielefeld.

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1 1 Vektorbosonen Kilian Leßmeier Universität Bielefeld

2 2 Inhalt Teilchenarten Teilchenarten Die 4 Grundkräfte Die 4 Grundkräfte Die W-Bosonen Die W-Bosonen Das Z-Boson Das Z-Boson Experimenteller Nachweis Experimenteller Nachweis Zusammenfassung Zusammenfassung

3 3 Teilchenarten - 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

4 4 Teilchenarten - 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 - Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks; Leptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schon Leptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schon - Unterteilung der Bosonen in Higgs-Teilchen und Eichbosonen

5 5 Teilchenarten - 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 - Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks; Leptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schon Leptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schon - Unterteilung der Bosonen in Higgs-Teilchen und Eichbosonen - Als Eichbosonen bezeichnet man Photonen, Gluonen, Graviton und die Vektorbosonen

6 6 Die 4 Grundkräfte - Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 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

7 7 Die 4 Grundkräfte - Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 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 2. Elektromagnetische WW 2. Elektromagnetische WW - ~10^-2 mal so stark wie Starke WW - ~10^-2 mal so stark wie Starke WW - unendliche Reichweite - unendliche Reichweite

8 8 Die 4 Grundkräfte - Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 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 2. Elektromagnetische WW 2. Elektromagnetische WW - ~10^-2 mal so stark wie Starke WW - ~10^-2 mal so stark wie Starke WW - unendliche Reichweite - unendliche Reichweite 3. Schwache WW 3. Schwache WW - ~10^-13 mal so stark wie Starke WW - ~10^-13 mal so stark wie Starke WW - Reichweite ~10^-18 m - Reichweite ~10^-18 m

9 9 Die 4 Grundkräfte - Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 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 2. Elektromagnetische WW 2. Elektromagnetische WW - ~10^-2 mal so stark wie Starke WW - ~10^-2 mal so stark wie Starke WW - unendliche Reichweite - unendliche Reichweite 3. Schwache WW 3. Schwache WW - ~10^-13 mal so stark wie Starke WW - ~10^-13 mal so stark wie Starke WW - Reichweite ~10^-18 m - Reichweite ~10^-18 m 4. Gravitation 4. Gravitation - schwächste WW (Faktor ~10^-38) - schwächste WW (Faktor ~10^-38) - unendliche Reichweite - unendliche Reichweite

10 10 Die 4 Grundkräfte - Eichbosonen sind die Austauschteilchen der 4 Grundkräfte und vermitteln diese Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen - Gluonen Starke WW - Gluonen Starke WW - Photon Elektromagnetische WW - Photon Elektromagnetische WW - Vektorbosonen Schwache WW - Vektorbosonen Schwache WW - Graviton Gravitation - Graviton Gravitation

11 11 Die W-Bosonen - Aus der Energie-Zeit-Unschärfe lässt sich ein Zusammenhang zwischen Reichweite und Ruheenergie der Austauschteilchen herstellen: m 0 c² Δt = m 0 c² R/c h/2π R hc/ (2π m 0 c²) - Als Fermi in den dreißiger Jahren erstmals die schwache WW behandelte, nahm 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

12 12 Die W-Bosonen - Das Problem der unendlichen Ruheenergie wurde 40 Jahre später 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 schwache WW zur elektro-schwachen WW zu vereinigen

13 13 Die W-Bosonen Der Beta-Zerfall - Man unterscheidet 2 Arten: n + ν e p + e- (β-) p + e- n + ν e (β + )

14 14 Die W-Bosonen Der Beta-Zerfall - Man unterscheidet 2 Arten: n + ν e p + e- (β-) p + e- n + ν e (β + ) - Fall 1 im Feynman-Diagramm dargestellt: => Es werden ein W + und ein W - benötigt => Es werden ein W + und ein W - benötigt -Ruheenergie der Bosonen ~100GeV -Ruheenergie der Bosonen ~100GeV

15 15 Das Z-Boson - Die elektroschwache Theorie sagte ein zusätzliches ungeladenes Austauschteilchen voraus, das Z 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 einem z.B. in Form von Streuung von einem Elektron an einem Elektron-Antineutrino: Elektron-Antineutrino: - Vorhersage neutraler Ströme blieb lange Zeit unbeachtet gelang der Nachweis neutraler Ströme am CERN => Die elektroschwache Theorie wurde akzeptiert und man fing an nach den vorhergesagten Austauschteilchen zu suchen vorhergesagten Austauschteilchen zu suchen

16 16 Experimenteller Nachweis - Energie beim β –Zerfall liegt bei wenigen MeV, was im Vergleich zu den 100GeV 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 => 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 werden W-Bosonen aufgrund der Ladungserhaltung 200 GeV benötigen werden - Einfachste Möglichkeit wäre ein Elektron-Positron-Collider gewesen, der damals aber noch nicht zur Verfügung stand

17 17 Experimenteller Nachweis - Idee von Rubbia: Proton-Antiproton-Stöße müssten W-Bosonen erzeugen => Problem: Wie erzeugt man kalten Antiprotonenstrahl? => Problem: Wie erzeugt man kalten Antiprotonenstrahl? - 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:

18 18 Experimenteller Nachweis 1. Plattenpaar misst Position des Teilchenstrahls des Teilchenstrahls 2. Bei Abweichung: Signal an Kicker Kicker

19 19 Experimenteller Nachweis 1. Plattenpaar misst Position des Teilchenstrahls des Teilchenstrahls 2. Bei Abweichung: Signal an Kicker Kicker 3. Teilchen werden am Kicker auf richtige Bahn gebracht, ABER: Die T. auf der richtigen Bahn werden falsch abgelenkt ABER: Die T. auf der richtigen Bahn werden falsch abgelenkt

20 20 Experimenteller Nachweis 1. Plattenpaar misst Position des Teilchenstrahls des Teilchenstrahls 2. Bei Abweichung: Signal an Kicker Kicker 3. Teilchen werden am Kicker auf richtige Bahn gebracht, ABER: Die T. auf der richtigen Bahn werden falsch abgelenkt ABER: Die T. auf der richtigen Bahn werden falsch abgelenkt 4. Kein Problem: Nach der mittleren Zeit τ ~ N/B besitzt der Strahl nur noch eine Impulsunschärfe von Δp/p 10 - ³ => Antiprotonen können über Stunden gespeichert werden

21 21 Experimenteller Nachweis gelang zwei Gruppen, darunter Rubbias, die Erzeugung, der Nachweis und die Massenbestimmung eines W-Bosons über den Zerfall: W + e + + ν e W + e + + ν e - Messung erfolgte über zylindrische Detektoren um den Kollisionspunkt, über die Impuls, Energie und Ladung der Zerfallsteilchen bestimmbar waren - Die Bestimmung der Masse gelang dadurch, dass beim obigen Zerfall das Neutrino dem Detektor entging => Maximal möglicher Transversalimpuls des Positrons: 1/2 M W c => Maximal möglicher Transversalimpuls des Positrons: 1/2 M W c => Energie des W-Bosons: M W c² = (80, ,26) GeV => Energie des W-Bosons: M W c² = (80, ,26) GeV

22 22 Experimenteller Nachweis - Nachweis des Z-Bosons ebenfalls Genauere Messung ab 1989 mit Inbetriebnahme des LEP (Large Electron-Positron Ring) möglich, aufgrund der höheren Energie von 110 GeV über die Zerfallsart: e + + e - Z 0 e + + e - e + + e - Z 0 e + + e - - Die Messungen ergaben für die Masse: M Z c² = (91, ,02) GeV M Z c² = (91, ,02) GeV

23 23 Zusammenfassung - Vektorbosonen sind die Austauschteilchen der schwachen WW - Die elektroschwache Theorie von Salam, Weinberg und Glashow sagte zwei geladene W-Bosonen, das W + und das W -, und ein ungeladenes Z-Boson voraus - Alle Vektorbosonen wurden experimentell nachgewiesen - Beeindruckende Bestätigung der Theorie

24 24 Quellenangabe


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