Entdeckung des τ-Leptons

Präsentation zum Thema: "Entdeckung des τ-Leptons"—  Präsentation transkript:

1 Entdeckung des τ-Leptons
Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Entdeckung des τ-Leptons Entdeckung des τ-Leptons Anna-Greta Paschke Anna-Greta Paschke

2 Das Experiment & Entdeckung τ-Physik
Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Inhaltsübersicht Einleitung Der Weg zur Entdeckung Das Experiment & Entdeckung τ-Physik

3 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

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

5 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

6 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

7 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

8 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 !

9 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

10 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

11 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

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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 Das Experiment & Entdeckung
Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment Das Experiment & Entdeckung Erinnerung Gesucht wird:

18 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

19 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

20 Das Experiment & Entdeckung
Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Das Experiment Das Experiment & Entdeckung Erste Ergebnisse; 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

21 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

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

23 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

24 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; Lepton-Hypothese liefert keine Widersprüche!

25 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

26 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

27 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]

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

29 Zusammenfassung Entdeckung des τ-Leptons 1975 Entdeckung des τ-Leptons
Anna-Greta Paschke Entdeckung des τ-Leptons Zusammenfassung Entdeckung des τ-Leptons 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