TEILCHENPHYSIK FÜR FORTGESCHRITTENE Vorlesung am 9. Mai 2006 Thomas Schörner-Sadenius Universität Hamburg, IExpPh Sommersemester 2006
ÜBERBLICK Die quantenmechanische Beschreibung von Elektronen Feynman-Regeln und –Diagramme Lagrange-Formalismus und Eichprinzip 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 Starke Wechselwirkung und QCD TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
WIEDERHOLUNG: RENORMIERUNG Einschluss der Vakuum-Polarisation: Unter Beachtung aller 1-Schleifen-Diagramme: Wirkt wie Propagator- modifikation: Auswerten und absorbieren der Unendlichkeit in der renormierten Ladung eR: Die q2-Abhängigkeit wird auch absorbiert: Auswertung der geometrischen Reihe: Zusammen mit dem (gemessenen Wert) der Kopplung an einer Referenz-Skala : Verlauf: Renormierungsgruppengleichung! TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
4.3 “g-2” 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: 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: Lande-Faktor Bohr’sches Magneton Spin Theoretisch sehr genau berechenbar – elektroschwache (Z) und hadronische Korrekturen unter Kontrolle … TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
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. Theoretisch sehr genau berechenbar – elektroschwache (Z) und hadronische Korrekturen unter Kontrolle … Myonen zerfallen in Elektronen und Neutrinos, wobei Elektronen bevorzugt entgegen Spinrichtung des Myons gerichtet sind. Nachweis des Winkeldifferenz durch Modifikation der Zählrate von Zerfallselektronen ee in Kalorimetern: Überlagerung des Zerfallsspektrums der Myonen mit Oszillation: TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
4.3 “g-2” Anpassung der Erwartung in einem Fit liefert Wert von (g-2)/2: Erklärung der Abweichung von g=2: Vertex-Korrekturen! Theoretisch sehr genau berechenbar – elektroschwache (Z) und hadronische Korrekturen unter Kontrolle … TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
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 2s1/2 und 2p1/2)! Gemessen Auf 0.01% extrem genauer Test der Ideen höherer Ordnungen, Renormierung. Coulomb-Term Extra q-2 Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER Livingston-Plot: Nicht alle Maschinen abgedeckt: fruehe fixed-target Neutrino-Physik Upsilon-Entdeckung am FNAL LHeC … LHeC Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung 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 1976 - Tau-Lepton 1976 (Perl) Detektor: Mark I Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: ISR – Intersecting Storage Ring: pp bei 62 GeV – 1972-1984 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 2004. Stochastic Cooling! Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: Sp(p)S, PS – 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. – 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! Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: UA1, UA2 Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung 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, …). Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: JADE Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: SLAC – “Stanford Linear Accelerator”: e+e- bei MZ. – SLD: Z-Physik – PEP mit BaBar (B-Physik) Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung Vergleichbar mit Belle bei Tristan (KEK). TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: LEP – Large Electron Positron Collider 1989-2000 OPAL, ALEPH, L3, DELPHI Vermessung des Z, des Standard-Modells Anzahl der Neutrino-Familien = 3 Limits auf Higgs-Masse Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: OPAL Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: LEP Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: TEVATRON – Proton-Antiproton bei 1.95 (1.8) TeV. – Experimente D0 und CDF - Entdeckung des Top-Quarks 1995 Heute Jagd nach dem Higgs-Boson. Betrieb bis <= 2009 Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: CDF Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung 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 Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: ZEUS Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II
EINSCHUB: BESCHLEUNIGER: ZEUS Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung 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. Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung 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? Wichtig: M stellt letztendlich so etwas wie die Fourier-Trafo des Potentials dar! Dieser Effekt (Vakuumpolarisation) ist –27MHz von +1057MHz totalem Effekt. Messung TSS/RKK SS06: Teilchenphysik II