Kilian Leßmeier Universität Bielefeld Vektorbosonen Kilian Leßmeier Universität Bielefeld

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

Teilchenarten - Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen: - Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin - Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin

Teilchenarten - Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen : - Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin - Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks; Leptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schon Unterteilung der Bosonen in Higgs-Teilchen und Eichbosonen

Teilchenarten - Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen : - Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin - Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks; 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

Die 4 Grundkräfte Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich: 1. Starke WW - stärkste WW - Reichweite ~ 2,5*10^-15 m

Die 4 Grundkräfte Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich: 1. Starke WW - stärkste WW - Reichweite ~ 2,5*10^-15 m 2. Elektromagnetische WW - ~10^-2 mal so stark wie Starke WW - unendliche Reichweite

Die 4 Grundkräfte Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich: 1. Starke WW - stärkste WW - Reichweite ~ 2,5*10^-15 m 2. Elektromagnetische WW - ~10^-2 mal so stark wie Starke WW - unendliche Reichweite 3. Schwache WW - ~10^-13 mal so stark wie Starke WW - Reichweite ~10^-18 m

Die 4 Grundkräfte Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich: 1. Starke WW - stärkste WW - Reichweite ~ 2,5*10^-15 m 2. Elektromagnetische WW - ~10^-2 mal so stark wie Starke WW - unendliche Reichweite 3. Schwache WW - ~10^-13 mal so stark wie Starke WW - Reichweite ~10^-18 m 4. Gravitation - schwächste WW (Faktor ~10^-38)

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

Die W-Bosonen Aus der Energie-Zeit-Unschärfe lässt sich ein Zusammenhang zwischen Reichweite und Ruheenergie der Austauschteilchen herstellen: m0c² Δt = m0c² R/c ≈ h/2π → R ≈ hc/ (2π m0c²) 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, was unphysikalisch ist

Die W-Bosonen - Das Problem der unendlichen Ruheenergie wurde 40 Jahre später von Glashow, Salam und Weinberg gelöst: - Sehr kleine Reichweite => große, aber endliche Ruheenergie Außerdem gelang es ihnen die elektromagnetische und die schwache WW zur „elektro-schwachen“ WW zu vereinigen

Die W-Bosonen Der Beta-Zerfall - Man unterscheidet 2 Arten: 1. n + νe → p + e- (β-) 2. p + e- → n + νe (β+)

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

Das Z-Boson Die elektroschwache Theorie sagte ein zusätzliches ungeladenes Austauschteilchen voraus, das Z0 => Es muss einen Austausch neutraler Ströme geben, z.B. in Form von Streuung von einem Elektron an einem Elektron-Antineutrino: Vorhersage neutraler Ströme blieb lange Zeit unbeachtet 1973 gelang der Nachweis neutraler Ströme am CERN => Die elektroschwache Theorie wurde akzeptiert und man fing an nach den vorhergesagten Austauschteilchen zu suchen

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 => Einzige Möglichkeit die Vektorbosonen zu messen ist sie real zu erzeugen => Energie zur Erzeugung kann nur durch einen Stoß hochenergetischer Teilchen aufgebracht werden, wobei das Z-Boson 100 GeV und die 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

Experimenteller Nachweis - Idee von Rubbia: Proton-Antiproton-Stöße müssten W-Bosonen erzeugen => Problem: Wie erzeugt man ‘kalten‘ Antiprotonenstrahl? - Grundideen: - Kühlen bedeutet Energiebreite und Emittanz zu verkleinern - Theorem von Liouville: Emittanz = const ~> Emittanz kann nur durch WW mit einem äußeren Medium verändert werden (z.B. Elektronen- oder Laserkühlung) - Lösung des Problems durch van der Meers „stochastische Kühlung“:

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

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

Experimenteller Nachweis 1. Plattenpaar misst Position des Teilchenstrahls 2. Bei Abweichung: Signal an Kicker 3. Teilchen werden am Kicker auf richtige Bahn gebracht, 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

Experimenteller Nachweis - 1983 gelang zwei Gruppen, darunter Rubbias, die Erzeugung, der Nachweis und die Massenbestimmung eines W-Bosons über den Zerfall: W+ → e+ + νe - 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 MW c => Energie des W-Bosons: MW c² = (80,22 +- 0,26) GeV

Experimenteller Nachweis - Nachweis des Z-Bosons ebenfalls 1983 - 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- → Z0 → e+ + e- - Die Messungen ergaben für die Masse: MZc² = (91,173 +- 0,02) GeV

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

Quellenangabe http://www.physik.uni-bielefeld.de/~shoshi/prosem_08/v12.pdf http://public.web.cern.ch/public/ http://adweb.desy.de/~rossbach/uni/Beschleunigerphysik1c.pdf