Nobelpreis 2004 Thomas Naumann DESY

Name: Nobelpreis 2004 Thomas Naumann DESY
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Description: Nobelpreis 2004 Thomas Naumann DESY

Nobelpreis 2004 Thomas Naumann DESY
David Politzer Frank Wilczek David Gross Th. Naumann DESY Thomas Naumann DESY

Nobelpreis 2004 Universität Leipzig
Physik-Nobelpreis 2004 für die Entdeckung der asymptotischen Freiheit in der Theorie der starken Wechselwirkung an: David J. Gross Kavli Inst. for Theoretical Physics, Univ. of California, Santa Barbara, H. David Politzer California Inst. of Technology (Caltech), Pasadena, und Frank Wilczek Massachusetts Inst. of Technology (MIT), Cambridge, alle USA. Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Physik-Nobelpreis 2004 Das Problem: QED Die Ladung wird unendlich Die Lösung: QCD Die Kopplung läuft: asymptot. Freiheit Die Kernkraft wird stark: Confinement Der Test : Laufende Kopplung Protonen und Gluonen QCD-Vakuum: Glueballs + Quagma Präzision Störungstheorie + Gitter-QCD Der Weg zur Ur-Kraft Super-Symmetrie + Große Vereinigung Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Nobelpreise Elektromagnetismus 1948 Tomonaga, Schwinger, Feynman: Quantum Electro Dynamics 1965 Schwache Kraft 1934 Fermi: Theory of Beta Decay 1938 1954 Yang, Lee: Gauge Theory of Weak Interactions 1957 1971 Glashow, Salam, Weinberg: Theory of Electroweak Interactions 1979 1971 t’Hooft, Veltman: Renormalization of Electroweak Interaction 1999 Starke Kraft 1935 Yukawa: Theory of Nuclear Forces 1949 1964 Gell-Mann: Symmetries of elementary particles: SU(3) 1969 1969 Friedman, Kendall, Taylor: Quark discovery in ep scattering 1990 1971 Wilson: Theory of phase transformations: Renorm. group 1982 Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

QED: laufende Konstanten Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

klass. Elektron-Radius
QED Vakuum-Polarisation in e-e Streuung: 1 g Q2 = … = 1 + e e e0 k k’ physikal. nackte Vakuum- Ladung Ladung Polarisation Kopplung ~ Ladung2: F= a/r a = e2/4p infrarot stabil: a = 1/137 ultraviolett divergent - nackte Ladung unendlich !? Cutoff bei willkürl. Skala: Renormierung ! Energie-Skala: Q2=-(k-k’)2 betrachte nur Evolution von Energieskala Q zu Skala m UV Divergenzen kürzen sich: Die Evolution ist alles - das Ziel ist divergent. dielektr. Screening: klass. Elektron-Radius r = a/me ~ 3 fm Compton-Wellenlänge lC= 1/me + -+ +- Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Nobel Prize for first Quark Evidence. Physics Today, Jan Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Das Problem Landau 1955: „weak coupling electrodynamics is … fundamentally logically incomplete.” „within the limits of formal electrodynamics a point interaction is equivalent … to no interaction at all.” Dyson 1960: “The correct theory will not be found within the next 100 years.” Feynman 1961: “I still … do not subscribe to the philosophy of renormalization.” Weinberg 1972, Gravitation + Cosmology: „we encounter theoretical difficulties beyond the range of modern statistical mechanics.” Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Renormierung Petermann, Stückelberg Gell-Mann, Low 1954. Bogoljubov, Shirkov Callan, Symanzik 1970. Wilson Teilchen- u. Festkörperphysik. OPE. Gitter. Renormiere Ladung + Cutoff so, daß Physik nicht von willkürl. Energie-Skala µ abhängt: β-Funktion: 2β = ∂ a(μ) / ∂ ln(μ) Renormierungsgruppen-Glg: β=0 für µ0 IR stabil a(0) = 1/137 Problem: Punkt-Ww. heißt UV stabil ! a() = ? β=0 für µ Gibt es asymptot. freie Feldtheorien ? Gibt es Punkt-Ww. (an Elementarteilchen) ? Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Die laufende Kopplung a = e2/4p Ladung ~ Kopplung = Feinstruktur-Konstante Konstante nicht konstant: a (E) running (or crawling): ∂ a(Q2) / ∂Q2 > 0 a (me = 0.5 MeV) = 1/137 a (mZ = 91 GeV) = 1/128.9 CERN LEP a (mPl = 1019 GeV) « 1 mehr Fermion-Loops a (∞) undefiniert keine elektr. Punkt-Ww. a (E) _1_ _1_ me mZ mPl log (E/GeV) «1 Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Das Standard Modell Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Die Bausteine 3 Familien Up x2 = 6 Flavors Down QUARKS LEPTONEN Neutrinos Elektronen Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Die Kräfte U(1) SU(3) 8 ij SU(N): N2-1 Austausch- Bosonen SU(2) Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Entdeckt 1979 bei PETRA am DESY in
Das Gluon 25 Jahre Entdeckt bei PETRA am DESY in g e+ e- q _ e+ e- → q`q g Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Kinematik Energie2 im Massenschwerpunkt-System: s = (k + P)2 = 4 Ee Ep HERA: s = 4·27.6 GeV·920 GeV = (319 GeV)2 Q2 = - q2 = - (k - k‘)2 Quadrat des Viererimpuls-Übertrags Rutherford 1911: Photon-Propagator ds / dQ2 = 4pa2 / Q4 ds / dcos(q) = pa2 / 2E2 sin4 (q/2) Mott 1929, Elektron-Spin: sMott = cos2 (q/2) sRuth. Q2 g/Z0 x = Q2 / (2Pq) Bjorken Impuls-Anteil des Partons im Proton (Quark, Gluon) Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Quarks + Scaling Kendall Friedman Taylor Nobelpreis 1990 nW2 at x = q = 6,10,18,26° no dep. on Q2,E,θ : point scattering ! asymptotics ! Stanford Linear Accelerator USA, : Elektron-Proton tief inelastische Streuung e’ e p X E = GeV θ = 6° - 26° Q2 = GeV2 Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Callan-Gross Relation
Parton Photon Spin Polarisation 0,1 sT = 0 longitudinal 1/2 sL = 0 transversal sL/sT = 0 elektr. = magnet. Formfaktor (Spin flip) F2 (x) = 2x F1 (x) Callan-Gross Bausteine des Protons: punktförmig + Spin=1/2 Feynman: Parton-Modell erst QCD Gluon-Strahlung gibt transversale Freiheitsgrade: F2 (x) ≠ 2x F1 (x) sL›0 2xF1/F2 x = Q2 / 2Mn Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

QCD = SU(3) ? CERN LEP: e+e- → 4 jets event shape in NLO QCD SU(N) Casimir-Operatoren QCD Farb-Faktoren CA CF SU(3): 3 4/3 Expt.: 3.0± ±0.3 Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Quanten-Chromo-Dynamik
QED U(1), abelsch 1 Ladungs-Typ 1 Photon: elektr. neutral keine Photon-Photon Selbst-Kopplung: Licht klumpt nicht … QCD SU(3)COLOR nicht-abelsch 3 Ladungs-Typen: r,g,b {3}Ä{3} = {1}{8} : 8 Gluonen: tragen Farb-Ladungen Gluon-Gluon Selbst-Kopplung Gluonium, Glueballs g ggb ggr grb Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Der QCD Lagrangian F.Wilczek, Physics Today, August 2000.
j … quark flavors a,b,c … 3 colors μ,ν … space-time F.Wilczek, Physics Today, August 2000. Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

W.+P.: Doktoranden, 22+24 Jahre alt,
1973: D.Gross, F.Wilczek, D.Politzer Gibt es Asymptotisch freie Eichtheorien ? W.+P.: Doktoranden, Jahre alt, erste Publikation ! D.J. Gross, F. Wilczek, ”Ultraviolet Behavior of Non-Abelian Gauge Theories”, Phys.Rev.Letters (1973). H.D. Politzer, ”Reliable Perturbative Results for Strong Interactions”, Phys.Rev.Letters (1973). D.J. Gross, F. Wilczek, “Asymptotically Free Gauge Theories. I”, Phys.Rev. D (1973). H.D. Politzer, “Asymptotic Freedom: An Approach to Strong Interactions”, Phys.Rep (1974). Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

β-Funktion nicht-abelscher Eichtheorien
entwickle nach Potenzen d. Kopplung + finde Nullstellen b0 = (11 NC – 2 NF) / 3 NC … Zahl d. Farben NF … Zahl d. Flavors Casimir-Operatoren d. Eich-Gruppe SU(N) für NF ≤16 Fermion-Flavors gewinnen NC Boson-Colors: ∂ a (µ) / ∂ ln µ < 0 Nicht-abelsche Eichtheorien asymptotisch frei ! D.Gross, Zinnowitz 2004: The discovery of asymptotic freedom was totally unexpected … Field theory was not wrong. Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

G.t´Hooft: Es war wie ein Schock, als man entdeckte, daß die nicht-abelschen Eichtheorien einen negativen b-Koeffizienten besitzen können. (Lexikon d. Physik, Spektrum Verlag 2000) Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig WHEN WAS ASYMPTOTIC FREEDOM DISCOVERED? OR THE REHABILITATION OF QUANTUM FIELD THEORY. By Gerard 't Hooft (Utrecht U.),. THU-98-33, Jul pp. Talk given at the 4th International Symposium: Dubna Deuteron 97, Dubna, Russia, 2-5 Jul Published in Nucl.Phys.Proc.Suppl.74: ,1999 e-Print Archive: hep-th/

QED und QCD + -+ +- + -+ +- Anti- Screening: Screening: g = q +… g = q g +… -2NF NC b0 = -4/3 ∂ a(Q2) / ∂Q2 > 0 b0 = (-2NF + 11NC)/3 ∂ a(Q2) / ∂Q2 < 0 Gluon masselos ! SU(2)W: mW›105 me Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

QED und QCD QED: ∂ a(µ2) / ∂µ2 > 0 Screening QCD: ∂ a(µ2) / ∂µ2 < Anti-Screening a (E) UV: Landau- Singularität IR: a = 1/137 log (E/GeV) 19 me mZ mPl «1 aS (E) log (E/GeV) mp mZ UV: aS  0 asymptot. Freiheit IR: aS  ∞ Kollaps d. Störungstheorie infrarote Sklaverei Confinement 0.5 0.1 Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Confinement as (Q2) = ------------------- + … (NF=3) as (Q2Λ2)  
statt as(μ2) definiere Λ = μ exp [-2p/(b0as(μ2)] 4p as (Q2) = … (NF=3) 9 ln (Q2/Λ2) as (Q2Λ2)   Kollaps der Störungstheorie Kernkraft schließt sich ein infrarote Sklaverei: keine freien Quarks ! ħc ≈ 200 MeV • fm QCD-Skala • Protonradius Proton = QCD Black Hole Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Quarks are born free, but everywhere they are in chains. F.Wilczek Nobel talk 2004 Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Quarkonium V = - 4/3 aS / r + k r Hadron-Radius: Confinement Color-String: konstante Kraft= Energie/Länge: k = 1 GeV / fm Spektroskopie gebundener Zustände schwerer Quarks: Y, Y’, Y’’, = (c`c) U, U’, U’’, = (b`b) wie Positronium Appelquist, Politzer 1974. schwere Quarks = kurze Distanz: V = -4/3 aS/r Coulomb-Kraft asymptot. Freiheit Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

D.Gross 2004: Experiments are performing tests of QCD with amazing precision … D.Gross, Loops & Legs, DESY Theory Workshop, Zinnowitz, Germany, April 2004. Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

von infraroter Sklaverei zur asymptotischen Freiheit
Experimente von infraroter Sklaverei zur asymptotischen Freiheit Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Die laufende Kopplung S. Bethke, Zinnowitz, 4p as (Q2) = … 9 ln (Q2/Λ2) as (MZ) = ± QCD Skala: Λ = 210 ± 30 MeV (MS, NF=5) ħc ≈ 200 MeV • fm QCD-Skala • Protonradius Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

as field energy (soft glue), was only clearly verified at HERA
Frank Wilczek: The most dramatic of these [tests], that protons viewed at ever higher resolution would appear more and more as field energy (soft glue), was only clearly verified at HERA twenty years later. F.Wilczek publication list www Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Nature, Vol. 400, 1 July 1999. Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

H1 ZEUS Protonen GeV Elektronen GeV Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

6 k m Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Struktur der Materie Rutherford 1910 : HERA 2000 : Entdeckung des Atomkerns Struktur des Protons Elektron Proton Quark: hart, punktförmig ? Hadron Jet Kern: hart Atom: transparent a - Teilchen Gold Folie Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Proton-Struktur QCD Order 1 2 SLAC 1968: drei Valenzquarks: x = 1/3 drei gebundene Quarks: ~ p/2 in 3 Quarks + ~ p/2 in N Gluonen Impuls-Anteil des Quarks im Hadron: x ~ 1/6 HERA 1994: x > 0.1: Valenzquarks x « 0.1: Seequarks + Gluonen : reine QCD ! Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Proton-Struktur Proton Struktur: Valenz- Quarks QCD Vakuum: Gluonen + See-Quarks Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Das Vakuum kocht … an der Wiege der QCD: 1996: HERA-Messung: Proton-Struktur: Aufblasen des Protons aus dem QCD Vakuum QCD-Asymptotik Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Gluon-Dichte Gluon-Selbstkopplung treibt Proton-Struktur und aS(Q2) ∂s(x,Q2) / ∂ln Q2 ~ aS(Q2) xg(x,Q2) Test d. nicht-abelschen QCD : Aufkochen des QCD Vakuums: Q2 ↑ x ↓ aS → 1 : Kollaps d. Störungstheorie ? Gluonen = Bosonen Gluon-Saturation ? Shadowing ? Gluonium, Glue-Balls ? Quark-Gluon-Plasma ? Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Proton Strukturfunktion
F2(x,Q2) D. Gross: tests of QCD with amazing precision … x klein: Anregung d. QCD Vakuums QCD-Fits d. log. Skalenverletzungen: aS(Q2) xg(x,Q2) xq(x,Q2) Scaling x groß: Gluon-Abstrahlung Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

as (ln Q2) crawling not running !
Die starke Kopplung DESY Experimente H1+ZEUS: QCD-Fit der Skalenverletzungen: as = ± (exp.+fit) ± (scale) Jet-Wirkungsquerschnitte: as = ± (exp.) ± (syst.) as running in 1 Experiment: as (ln Q2) crawling not running ! Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig running as in one experiment

Quark-Gluon-Plasma Gott schuf die Quarks frei <μs nach dem Urknall danach QCD Confinement: Phasenübergang Quagma - Hadron-Gas Nukleonen frieren aus RHIC am BNL, Brookhaven, USA: Au-Au Kollisionen mit 100 GeV/Nukleon >1000 Quarks, Thermalisierung: GSI Darmstadt >2009 Big Bang RHIC Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Penta-Quarks q+ _ Quarkmodell: Baryon: (qqq) Meson: (qq) Expt.: HERMES H1 Zustand q+ = pK qc = pD* : _ _ exotisch: (uudds) (uuddc) Molekül ? Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

für den Weg zur Vereinigung
Präzision für den Weg zur Vereinigung Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

D.Gross 2004: Theoretical calculations of perturbative QCD are truly heroic. D.Gross, Loops & Legs, DESY Theory Workshop, Zinnowitz, Germany, April 2004. Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

QCD in 2 Loops Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

β-Funktion in 3 Loops Nicht- triviale Struktur des QCD- Vakuums reine SU(3) Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Loops+Legs 2004 b b b b3 1997 T.Jones D.Gross O.Tarasov J.Vermaseren Liverpool Kavli Inst DESY NIKHEF Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Störungstheorie 1 2 3 1-2-3 Loops: Next-to-Next-to-Leading Order: Splitting-Funktionen anomale Dimensionen Koeffizienten-Funktionen ~ Feynman- Diagramme : > Integrale … S. Moch et al., The QCD Splitting Functions At Three Loops, Nucl.Phys.Proc.Suppl.135: , M. Czakon, Kovalevskaya Preis 2004. hep-ph / Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

QCD auf dem Gitter Alternative: diskrete Raum-Zeit minimiere QCD Pfad-Integrale simuliere QCD auf dem Gitter : Freiheitsgrade: Color, Flavor, Quark-Massen δαS/αS = 1% ok mit Expt.+ 3-Loop APE Gitter-Rechner L a L/a=16,32,… bei DESY Zeuthen 2005/6: 3 TFlop Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Der Weg zur Urkraft: Vereint sind wir gleich stark ! Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Die Vereinigung der Kräfte Big Bang s 1019 GeV s 1015 GeV 100 GeV s Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Große Vereinigung elm. schwach stark vereinigt U(1)⊗SU(2) ⊗ SU(3) ⊂ SU(5) SYMMETRIEN { e- ne ,`dr`dg`db } L __ {5} MULTIPLETT g W± gij BOSONEN X,Y SO(10): {10} (e+ du ub) L Kopplungen asymptot. frei + berechenbar. Wo wird aelm = aschwach = astark ? Georgi, Glashow; Georgi, Quinn, Weinberg, 1974. Lepton Lepto- Quark Quark QX = 4/ QY = 1/3 Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Große Vereinigung Quark-Lepton-Symmetrie: Quarks + Leptonen in ein Multiplett Quantisierung der elektr. Ladung: NC Qq – Qe = 0 = 3 x 1/3 – 1 bzw Qp = Qe Vorhersage für elektro-schwachen Mischungswinkel: sin2qW (MX) = g‘2 / (g2+g‘2) = 3/5 / (1+3/5) = 3/8 sin2qW (MZ) = GUT sin2qW (MZ) = Expt. Leptonzahl-Verletzung: Neutrino-Massen u. -Oszillationen: Baryonzahl-Verletzung: Proton-Zerfall : p→e+p0 tp ~ MX4 / a2 mp5 Super-K 1998: t (p→e+p0) > 5·1033 a t (p→K+n) > 1.6·1033 a Hyper-K 201x+10: t (p→e+p0) > 1035 a t (p→K+n) > 3 ·1034 a SUSY GUT: MX ~ 1016 GeV : t (p→e+p0) ~ 1035±1 a t (p→K+n) ~ 1032±3 a { e- ne ,`dr`dg`db }L Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Super-Symmetrie electron selectron quark squark photon photino Fermion Boson Boson Fermion Super-Symmetrie vereinigt Bosonen mit Fermionen Kraft mit Materie Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Super-Symmetrie Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

vereinigt Kräfte und Kopplungen
Super-Symmetrie vereinigt Kräfte und Kopplungen mPl MX ~ 1014 GeV tp ~ 1031 a MX ~ 1016 GeV tp > 1035 a ändert Energie-Abhängigkeit der Kopplungen: ein Vereinigungs-Punkt bei MX = 2·1016 GeV ! Proton-Lebensdauer > exptl. Limit Neutralino (`g,`Z,`H1,2): leichtestes SUSY-Teilchen Dunkle Materie im Universum ! verbindet kontinuierl. Raum-Zeit-Symmetrie mit Spin-Statistik + Symmetrien U(1)SU(2)SU(3)  SU(5), SO(10), E(6), ... Eichfelder lokaler SUSY: Graviton (J=2) + Gravitino (J=3/2) Super-Gravitation ! Higgs-Strahlungskorrekturen stabil: Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

Vereinigung: Extrapolation über 1014
Super-Symmetrie Vereinigung: Extrapolation über 1014 Präzision der Startwerte: da / a ~ elektromagnet. dGF/ GF ~ schwach dGN/ GN ~ Gravitation das / as ~ stark das/as: Experiment: ~1% Theorie: NLO ~4% NNLO ~2% ? Gitter ~1% ? Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig Störungstheorie konvergiert schlecht as >0.1 Kernkraft ist stark (E<100 GeV) das / as ~ 4% Theorie in 2.Ordnung NLO ?% Theorie in 3.Ordnung NNLO oder: Gitter-Simulation der nichtlinearen Theorie

Was mich schwach macht, macht mich stark !
Was macht die Kernkraft stark ? Was mich schwach macht, macht mich stark ! Selbstkopplung der Eichbosonen in nicht-abelschen Eichtheorien Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig Denn wenn ich schwach bin, bin ich stark. Paulus an die Korinther 2.Brief 12,10

Der Weg ist frei … zu einer Feldtheorie mit korrekter Asymptotik + Punkt-Wechselwirkung zurück zum Urknall vorwärts zur Urkraft ! Th.Naumann DESY Nobelpreis Universität Leipzig

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