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TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE Vorlesung am 9. Mai 2006 Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg, IExpPh Sommersemester 2006.

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1 TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE Vorlesung am 9. Mai 2006 Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg, IExpPh Sommersemester 2006

2 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II 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, ATLAS 5.Starke Wechselwirkung und QCD

3 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II WIEDERHOLUNG: RENORMIERUNG Unter Beachtung aller 1-Schleifen-Diagramme: Auswertung der geometrischen Reihe: Zusammen mit dem (gemessenen Wert) der Kopplung an einer Referenz-Skala : Verlauf: Renormierungsgruppengleichung! Einschluss der Vakuum-Polarisation: Wirkt wie Propagator- modifikation: Auswerten und absorbieren der Unendlichkeit in der renormierten Ladung e R : Die q2-Abhängigkeit wird auch absorbiert:

4 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II 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 in der Dirac- Theorie den Lande-Faktor g=2 haben sollte: Also Vorhersage Dirac: Experiment: Lande-Faktor Bohrsches Magneton Spin

5 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II 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:

6 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II g-2 Anpassung der Erwartung in einem Fit liefert Wert von (g-2)/2: Erklärung der Abweichung von g=2: Vertex-Korrekturen!

7 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II 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

8 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER Nicht alle Maschinen abgedeckt: - fruehe fixed-target - Neutrino-Physik - Upsilon-Entdeckung am FNAL - LHeC - … Livingston-Plot: LHeC

9 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: SPEAR -4+4 GeV Elektron-Positrion- Speicherring am SLAC (80m Durchmesser). -Wesentliche Entdeckungen: - J/Psi 1974 (Richter) NP Tau-Lepton 1976 (Perl) -Detektor: Mark I

10 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: ISR – Intersecting Storage Ring: pp bei 62 GeV – am CERN – Beobachtung von J/Psi und Ypsilon. – Erste Beobachtung von Jet-Strukturen unter grossem Winkel -Lumi-Rekord in Hadron-Hadron bis Tevatron- Upgrade in Stochastic Cooling!

11 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: Sp(p)S, PS – Super-Proton-Antiproton-Synchrotron – Proton-Antiproton bei bis zu 540 GeV. – Urpsruenglich nur SpS: Pionen/Protonen fuer Fixed-Target, Neutrinos etc. – Experimente UA1 und UA2 entdeckten hier 1984 unter C. Rubbia die W- und Z-Bosonen. Nobelpreis! – Proton--Synchrotron – Liefert Elektronen, Pionen, Protonen etc. fuer Fixed-Target und als Vorbeschleuniger. – Noch heute eines der Arbeitspferde am CERN. – Lieferte auch Neutrinos fuer grosse Blasenkammer Gargamelle etc.

12 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: UA1, UA2

13 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: PETRA -Einstmals (-1984) e+e- bis 44 GeV -Wollte Top, Higgs finden -Tolle QCD-Messungen -Jade, Cello, Tasso (Jade = JApan, Deutschland, England) -Heute Vorbeschleuniger HERA -Bald neueste Synchrotronstrahlungsquelle! -Erste Ergebnisse zum elektroschwachen Standard-Modell -Messungen der starken Kopplung -Entdeckung des Gluons Bestaetigung der QCD! -Davor bei DESY: DORIS (Doppel-Ring- Speicher) mit e+e- bei 10 GeV. Wichtig fuer Flavour-Physik (Argus, open charm, B-Oszillationen, …).

14 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: JADE

15 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: SLAC – Stanford Linear Accelerator: e + e - bei M Z. – SLD: Z-Physik – PEP mit BaBar (B-Physik) Vergleichbar mit Belle bei Tristan (KEK).

16 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: LEP – Large Electron Positron Collider OPAL, ALEPH, L3, DELPHI -Vermessung des Z, des Standard-Modells -Anzahl der Neutrino-Familien = 3 -Limits auf Higgs-Masse

17 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: OPAL

18 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: LEP

19 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: TEVATRON – Proton-Antiproton bei 1.95 (1.8) TeV. – Experimente D0 und CDF - Entdeckung des Top-Quarks Heute Jagd nach dem Higgs-Boson. -Betrieb bis <= 2009

20 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: CDF

21 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: HERA -Einzige ep-Maschine, 318 GeV -Vermessung der Struktur des Protons -Die QCD-Maschine -ZEUS, H1, HERMES, (HERA-B) -Betrieb noch bis 2007

22 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: ZEUS

23 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: ZEUS

24 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: LHC -Proton-Proton bei 14 TeV -ATLAS, LHC, Alice und LHCb -Muss etwas neues finden! SUSY, Higgs, Contact interactions, new dimensions … -Beginn 2007.

25 TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: TESLA, ILC – International Linear Collider – Geplanter e + e -Linearbeschleuniger in Hamburg, Japan oder USA (Chikago?). – Schwerpunktsenergie 500 GeV – 1 TeV, Laenge ca. 30 km – Ziel: Praezise Vermessung der Erweiterungen des Standardmodells, die LHC finden wird (hoffentlich ;-) ) … -Technologie: TESLA (DESY) -Bau ab 2011?


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