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Das Experiment & Entdeckung τ-Physik Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Inhaltsübersicht Einleitung Wissensstand heute: Bausteine der Materie Martin L. Perl Der Weg zur Entdeckung Das Experiment & Entdeckung τ-Physik

Einleitung Entdeckung des τ-Leptons Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Einleitung Wissensstand heute: Bausteine der Materie (Fermionen)

Einleitung Entdeckung des τ-Leptons Martin L. Perl Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Einleitung Martin L. Perl 1975 Entdeckung des τ-Leptons am Stanford Linear Collider Center SLAC 1995 Physiknobelpreis zusammen mit Frederick Reines, für die bahnbrechenden Beiträge zur Physik der Leptonen Abbildung: Martin L. Perl

Das Experiment & Entdeckung τ-Physik Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Der Weg zur Entdeckung Einleitung Der Weg zur Entdeckung Suche nach Leptonen Erzeugung Zerfall + experimentelle Signatur Das Experiment & Entdeckung τ-Physik

Der Weg zur Entdeckung Gibt es weitere Leptonen? Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Der Weg zur Entdeckung Vor der Tau-Entdeckung „Who ordered that ?“ Isidor Rabi Elektron und Myon: identische Eigenschaften Ausnahme: Masse Lebensdauer FRAGE: Gibt es weitere Leptonen? Entdeckung Myon

Der Weg zur Entdeckung Entdeckung des τ-Leptons Erfolglose Suche L- L+ Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Der Weg zur Entdeckung Erfolglose Suche Photoproduktion am SLAC ; 1963 Erzeugung energiereicher Photonen mittels: Suche nach Paarbildungen von neuen Leptonen der Form e- + Kern  + … + Kern  L+ + L- + … L- L+  Energie der Photonen war nicht hoch genug !

Der Weg zur Entdeckung Entdeckung des τ-Leptons Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Der Weg zur Entdeckung Experimental science is a craft and an art, and part of the art is knowing when to end a fruitless experiment. Martin L. Perl bei seiner Nobelpreis Verleihung

Der Weg zur Entdeckung Entdeckung des τ-Leptons Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Der Weg zur Entdeckung My hope was that we would find a new particle L, perhaps a new charged lepton somehow related to the electron or muon. A vague hope by the standards of our knowledge of elementary particle physics today. We were certainly naive in the 1960’s. Martin L. Perl bei seiner Nobelpreis Verleihung

Der Weg zur Entdeckung Entdeckung des τ-Leptons Erzeugung Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Der Weg zur Entdeckung Erzeugung e+e- -Annihilation ! Elektromagnetische WW: exakt mit Feynman berechenbar später: Zerfälle von Hadronen Zerfälle von Eichbosonen

! Der Weg zur Entdeckung Entdeckung des τ-Leptons Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Der Weg zur Entdeckung Zerfall + experimentelle Signatur Zerfall: Signatur !

Das Experiment & Entdeckung Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment & Entdeckung Einleitung Der Weg zur Entdeckung Das Experiment & Entdeckung Der Speicherring Der Detektor Erste Ergebnisse Bestätigung der Leptonhypothese τ-Physik

Das Experiment Entdeckung des τ-Leptons Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment Stanford Positron Electron Accelerator Ring SPEAR Der e+e- -Speicherring ging 1973 in Betrieb Maximale Schwerpunktsenergie ~ 8 GeV Maximale Luminosität bei ~ 4,8 GeV

Das Experiment & Entdeckung Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment Das Experiment & Entdeckung Mark I Detektor einer der ersten Vielzweck Raumwinkel- Detektoren für kollidierende Strahlen Magnetfeld B = 0,4T parallel zur Strahlrichtung

Das Experiment & Entdeckung Das Experiment Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment & Entdeckung Das Experiment MARK I Detektor Neu am MARK I Detektor ist die Kombination vieler Messkomponenten: Funkenkammer ermittelt Trajektorien der Teilchen, aus der Krümmung im B-Feld => Impuls Flugzeitmessung zwischen den Trigger-Zählern (Szintillationszähler) => Geschwindigkeit Elektronen werden im Schauerzähler identifiziert Hadronen werden an Eisen-Mantel gestoppt Myonen werden in äußerer Funkenkammer nachgewiesen

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Das Experiment & Entdeckung Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment Das Experiment & Entdeckung Erste Ergebnisse 1975 σeμ (ECM) für e-μ-Ereignisse e-μ-Ereignisse im MARK I mit Myon-Tower

Das Experiment & Entdeckung Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment Das Experiment & Entdeckung Erste Ergebnisse; 1975 24 e-μ-Ereignisse mit Gesamtladung 0 und 0 detektierten Photonen wurden gefunden keine konventionelle Erklärung für dieses Ergebnis

Das Experiment & Entdeckung Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment Das Experiment & Entdeckung Erste Ergebnisse; 1975 - Schlussfolgerungen keine konventionelle Erklärung für e-μ-Ereignisse e-μ-Ereignisse stammen aus Zerfall eines neuen Teilchens mit der Masse m ~ 1,6 … 2 GeV/c² Neues Teilchen: Schweres Lepton ? Our first publication was followed by several years of confusion and uncertainty (…) . Martin L. Perl bei seiner Nobelpreis Verleihung

Das Experiment & Entdeckung Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment Das Experiment & Entdeckung 2-Körper- oder 3-Körperzerfall? 3-body decay Number of e‘s or μ‘s 2-body decay aus dem Logbuch von M. Perl

Das Experiment & Entdeckung Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment Das Experiment & Entdeckung 2-Körper- oder 3-Körperzerfall? Leptonenzahlerhaltung

Das Experiment & Entdeckung Das Experiment Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment & Entdeckung Das Experiment Verzweigungsverhältnisse Wenn L ± Teil einer neuen Leptonfamilie wäre, dann müssten folgende Verzweigungsverhältnisse existieren: W τ- t Experimentelle Verzweigungsverhältnisse; 1977

Das Experiment & Entdeckung Das Experiment Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment & Entdeckung Das Experiment Mesonische Zerfälle Mesonische Zerfälle müssen existieren, falls L± ein sequenzielles Lepton ist Der Zerfall in Mesonen wurde bisher nicht beobachtet Theoretische Berechnung liefert: Experimentelle Ergebnisse; 1977-1979 Lepton-Hypothese liefert keine Widersprüche!

Das Experiment & Entdeckung Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment Das Experiment & Entdeckung Der Physiknobelpreis 1995 Zusammen mit Frederick Reines, für die bahnbrechenden Beiträge zur Physik der Leptonen. Martin L. Perl

Das Experiment & Entdeckung τ-Physik Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons τ-Physik Einleitung Der Weg zur Entdeckung Das Experiment & Entdeckung τ-Physik Spin & Masse Lebensdauer + Zerfallsverhältnis

τ-Physik Entdeckung des τ-Leptons Masse & Spin = 3477,5 me Spin: 1/2 Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons τ-Physik Masse & Spin = 3477,5 me Spin: 1/2 Dirac-Teilchen Ecm [GeV]

τ-Physik Entdeckung des τ-Leptons Lebensdauer + Zerfallsverhältnis Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons τ-Physik Lebensdauer + Zerfallsverhältnis Verzweigungsverhältnis experimentell (pdg):

Zusammenfassung Entdeckung des τ-Leptons 1975 Entdeckung des τ-Leptons Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Zusammenfassung 1975 Entdeckung des τ-Leptons 1995 Nobelpreis: Martin L. Perl Eigenschaften des τ-Leptons: Masse : Spin: ½ Lebensdauer: Zerfallsverhältnis: e- : μ- : ud 1 : 1 : 3 ? unerklärt im SM stimmt perfekt mit SM überein