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Veröffentlicht von:Antje Schmauch Geändert vor über 10 Jahren
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7. Das Quarkmodell 7.1. Vorbemerkungen
Hadronen sind ausgedehnt ( Formfaktoren ) Es gibt diskrete quantenmechanische Zustände fester Energien ( Massen ), charakterisiert durch Quanten-zahlen Es existieren Übergänge zwischen den Zuständen, z.B. elektromagnetisch schwach ( -Zerfall ) stark Analogie zu Atomen und Kernen Quark-Hypothese: Hadronen sind aus punktförmigen (?) Konstituenten – den Quarks – zusammengesetzt. Die Quarks werden durch die starke Kraft gebunden. Für jede Flavour-Quantenzahl gibt es eine Quark-Sorte.
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Standardmodell der Elementarteilchenphysik
Ursprüngliche Idee: Gell-Mann, Zweig Quarks symbolische Platzhalter für Flavour, keine Teilchen Quarks nicht in Detektoren beobachtbar Moderne Quantenfeldtheorie: Quarks reale Spin -½ -Teilchen existieren nur gebunden in Hadronen ( Confinement ) Quantenchromodynamik ( QCD ) Bindungsdynamik Quantenflavourdynamik ( QFD ) Dynamik der Quark-Umwandlung QCD QFD Standardmodell der Elementarteilchenphysik Dynamik der elektroschwachen und starken Wechselwirkung
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Leichte Quarks: u, d, s Name Symbol Flavour Up u Isospin up Down d Isospin down Strange s Strangeness alle Hadronen mit: Schwere Quarks: c, b, t alle übrigen Hadronen Name Symbol Flavour Charm c Bottom b Beauty Top t Truth Entdeckung 1974 / 78 / 95 nichtrelativistisch in gebundenen Zuständen Schrödingergleichung analog H-Atom / Positronium Ideal geeignet zur Messung des Bindungspotentials
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Baryon-Spektrum und Zusammenfassung zu Isospin- und SU(3)-Multipletts
Verallgemeinerung der Isospin-Symmetrie: Die starke WW ist exakt Flavour-blind ( Flavour-symmetrisch ) {u,d} SU (2) –Symmetrie der Hadron-Massen fast exakt, da mu md und e.m.-WW ≪ starke WW {u,d,s} SU (3) –Symm. leicht verletzt, da ms mu md GeV Baryon-Spektrum und Zusammenfassung zu Isospin- und SU(3)-Multipletts mass SU(3)-Oktett SU(3)-Dekuplett
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keine gebundenen Zustände
Bemerkung: Konzept der Quarkmassen ist problematisch Strommasse ( freie Masse ) Masse des hypothetischen, ungebundenen Quarks kurzzeitig realisierte Situation in harten Streuprozessen Konstituentenmasse ( effektive Masse ) freie Masse plus Energie des Bindungsfeldes des gebundenen Zustandes abhängig vom jeweiligen Hadron Typische Größenordnungen ( modellabhängig ): Flavour Strommasse Konstituentenmasse Mesonen Baryonen u 4 MeV 310 MeV 360 MeV d 8 MeV s 150 MeV 480 MeV 540 MeV c 1,1 GeV 1,5 GeV b 4,2 GeV 4,7 GeV t 175 GeV keine gebundenen Zustände
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Gell-Mann-Nishijima-Formel
Quantenzahlen der Quarks: willkürlich: Parität(Quark) 1 Parität(Antiquark) 1 ( wg. Dirac-Gl. ) u d c s t b Spin Parität B ⅓ ⅓ Qe ⅔ ⅔ I I3 ½ ½ 1 1 Y Folgerung: Gell-Mann-Nishijima-Formel Hyperladung
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Gell-Mann-Nishijima-Formel
Hyperladung SU (3)-Multipletts der leichten (Anti-)Quarks: Qe ⅓ Qe ⅔ SU (3)-Antitriplett SU (3)-Triplett Qe ⅔ Qe ⅓
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„Bohr-Magneton“ gerechnet für Quarkmasse mq
Magnetische Momente von Quarks: Quark punktförmiges Spin-½ -Fermion Antiquarks: Konstituentenmasse „Bohr-Magneton“ gerechnet für Quarkmasse mq Mesonen: J 0, 1, 2, 3, gerade Anzahl von (Anti-)Quarks B 0 Meson besteht aus (qq)-Paaren Postulat Meson qq erklärt das Spektrum Baryonen: J ½, , ungerade Anzahl von (Anti-)Quarks B 1 Baryon q1q2q3 , q1q2q3q4q5 , Postulat Baryon q1q2q3 erklärt das Spektrum Bezeichnung: Quark mit Spin Up, Quark mit Spin Down
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Bild 1
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Bild 1 SU (3)-Singulett und Oktett der pseudoskalaren Mesonen
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Bild 2 SU (3)-Multipletts der pseudoskalaren Mesonen ( J 0 ) und der Vektormesonen ( J 1 )
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Bild 1
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7.2.5. Vorhersage von Wirkungsquerschnitten
Hohe Energie Mischung vieler Isospinzustände WQs #(Quarkkombinationen) Beispiel: σtot(πp) / σtot(pp) πp: qq qqq σtot(πp) = 6·σqq pp: qqq qqq σtot(pp) = 9·σqq Experiment (Eπ=60GeV, Ep äquivalent):
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7.2.6. Ausblick Atome Elektronen durch Potential gebunden
Kerne Nukleonen durch Potential gebunden Hadronen Quarks durch Potential gebunden Korrektur: e- umgeben von γe-Wolke (Lamb-Shift) Nukleonen umgeben von Pion-Wolke Quarks umgeben von Gluon-Wolke Näherung: Effektive Konstituenten-Quarkmasse Rigorose Ansätze: Nichtperturbative QCD und Gittereichtheorie (Profs. Wolff, Jegerlehner,...
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7.3.1. Quarkonium-Spektroskopie
7.3. Schwere Quarks: c, b, t Riesige Massenunterschiede Flavoursymmetrie verborgen reine (ungemischte) Flavourzustände Quarkonium-Spektroskopie Quarkonium: Reine |QQ-Zustände (Spin 1) nicht-relativistische Systeme H-Atom untersuche Bindungspotential der Quarks starke Kopplung αs klein (s.u.) perturbative QCD-Rechnungen sinnvoll
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Zahl der (bzgl. Ĥstrong) stabilen |QQ-Zustände:
Hellmann-Feynman-Theorem: Sei Ĥ=Ĥ(λ), mit reellem Parameter λ. Sei |ψ stabiler Eigenzustand zu Ĥ(λ) mit Energie E(λ). Dann gilt: Quarkonium: Folgerung: Die Zahl der bzgl. Ĥstrong stabilen Quarkonium- Zustände nimmt mit M zu.
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b) cc: zwei stabile Zustände
Beobachtung: a) ss: kein stabiler Zustand s u K- K+ : S1 instabil c u D0 b) cc: zwei stabile Zustände J/ψ: 1 3S1 ψ: 2 3S1 ψ: 3 3S1 instabil stabil (kein Zerfall in offen Charm), schmale Resonanz, lange Lebensdauer
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c) bb: drei stabile Zustände
Bild 1 Radiale Anregung Q p+ e+ e- p- γ Resonanz Υ: 1 3S1 Υ: 2 3S1 Υ: 3 3S1 Υ: 4 3S1 instabil stabil (kein Zerfall in offene Beauty), schmale Resonanz, lange Lebensdauer b u B+ B-
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7.3.2. Phänomenologische Ermittlung des Potentials m Υ(1S) m Υ(2S)
Δm(n) fällt mit Hauptquantenzahl n kein harmonischer Oszillator Δm(n) fällt schwächer als ΔE(n) beim H-Atom kein reines (1/r)-Potential Experimentelle Beobachtung von γ-Übergängen: Bild 3 Crystal Ball NaJ(Tl)-Kalorimeter Massen von P- und D-Zuständen (L = 1,2)
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Charmonium- und Bottomonium-Spektren:
Bild 2
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Interpoliertes Potential:
αs = Kopplungsstärke der starken WW = Feinstrukturkonstante der starken WW Interpretation: Kleine Abstände / hoher Energieübertrag: wie Coulomb-WW Quarks sind quasi-frei Große Abstände / kleiner Energieübertrag: F0 16 Tonnen 1 GeV / fm ex. keine freien Quarks Quark-,,Confinement“
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Chromoelektrisches Feld
Moderne Formulierung (Quanten-Chromodynamik): Die Feldquanten (Gluonen) tragen selbst Ladung (Farbe) der starken WW Die Feldlinien des Farbfeldes ziehen sich gegenseitig an Elektrisches Feld Chromoelektrisches Feld = ,,Farbstring“ V(r) = F0·r homogen
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LS-Kopplung: Aus Feinstruktur der P-Zustände
Radiative Übergänge: J aus: • γγ-Winkelverteilung • Relative Übergangsraten (Clebsch-Gordan-Koeff.) Resultat: J kleiner Bindung stärker (wie in Atomphysik, entgegengesetzt zur Kernphysik)
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SS-Kopplung: (Analogon zur Hyperfeinstruktur in Atomen)
Vgl. Zustände mit: L = 0 keine LS-WW J verschieden nur SS-WW Beobachtet: ηc(n1S0)-Zustände Resultat: Information über Wellenfunktion am Ursprung ( r = 0 )
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Bild 1
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7.3.5. Bild 1 SU (4)-Multipletts
Baryonen Bild 1 SU (4)-Multipletts Mesonen
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