Elementaire Deeltjesfysica

Transcriptie

1 Elementaire Deeltjesfysica FEW Cursus Jo van den Brand 3 November, 2009 Structuur der Materie

2 Inhoud Inleiding Deeltjes Interacties Relativistische kinematica Lorentz transformaties Viervectoren Energie en impuls Symmetrieën Behoudwetten Quarkmodel Discrete symmetrieën Feynman berekeningen Gouden regel Feynman regels Diagrammen Elektrodynamica Dirac vergelijking Werkzame doorsneden Quarks en hadronen Elektron-quark interacties Hadron productie in e + e - Zwakke wisselwerking Muon verval Unificatie Jo van den Brand

3 Drie families: quarks leptonen Massa s van deeltjes in MeV; 1 MeV gram Jo van den Brand

4 Interacties - dynamica Jo van den Brand

5 Krachten De bouwstenen van de natuur vormen structuren, van protonen to sterrenstelsels. Dit komt omdat deeltjes met elkaar wisselwerken. De bekendste kracht is gravitatie. Hierdoor staan we op aarde en bewegen de planeten rond de zon. Gravitatie is met name belangrijk in massieve objecten en is zwak tussen individuele bouwstenen. Een sterkere fundamentele kracht manifesteert zich in de effecten van elektriciteit en magnetisme. De elektromagnetische kracht bindt negatieve elektronen aan de positieve kernen in atomen. Het geeft ook aanleiding tot de vorming van moleculen en vaste stoffen en vloeistoffen. Najaar 2007 Jo van den Brand Omega Centauri globular cluster

6 Zwakke wisselwerking Najaar 2007 Jo van den Brand d pu u W d u d n e e

7 Interacties: QED, QCD, EZ, Gravitatie EM Gravitatie 7

8 Feynman diagrammen - QED tijd Moller scattering Elementair process - vertex - propagator - asymptotische toestand - structuur qq - antideeltje notatie Feynman 1965 Bhabha scattering Najaar 2007 Jo van den Brand 8

9 Feynman diagrammen - QED Bhabha scattering

10 Feynman diagrammen - QED Pair annihilation Pair production Compton scattering Hierbij wordt gebruik gemaakt van crossing symmetry: als A + B C + D toegestaan, dan is ook A + C B + D dynamisch toegestaan. Jo van den Brand

11 Feynman diagrammen - QED Hogere-orde bijdragen tot de overgangsamplitude Interne deeltjes zijn virtueel (niet waarneembaar) Elke vertex levert een factor 1/137 Jo van den Brand

12 Feynman diagrammen - QCD Elementair process - structuur qgq - vertex koppeling (~1) Gluonen dragen kleurlading Gluonen hebben zelfkoppeling D.J. Gross H.D. Politzer F. Wilczek 2004 Najaar 2007 Jo van den Brand 12

13 Feynman diagrammen - QCD Kracht tussen twee protonen Kracht tussen twee quarks door gluon uitwisseling Een quark uit een proton trekken Confinement Jo van den Brand 13

14 Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Of absorbeer een W + Lepton: geladen vertex Quark: geladen vertex Voorspeld door GWS Lepton: neutrale vertex Quark: neutrale vertex Geen flavor changing neutral currents! Najaar 2007 Jo van den Brand 14

15 Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Glashow Weinberg Salam 1979 Nodig voor de interne consistentie van de Glashow, Weinberg en Salam (GWS) theorie Geladen Ws koppelen aan het foton Najaar 2007 Jo van den Brand 15

16 Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Muon-neutrino verstrooiing Rubbia Van der Meer 1984 Muon verval Neutrino verstrooiing Ontdekking van Z op CERN (1973) Correctie op de Coulomb interactie Najaar 2007 Jo van den Brand 16

17 Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Semi-leptonisch proces Pion verval Neutron verval Najaar 2007 Jo van den Brand 17

18 Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht Verval van neutrale Delta: via zwakke wisselwerking Verval van neutrale Delta: via sterke wisselwerking Najaar 2007 Jo van den Brand 18

19 Feynman diagrammen Elektrozwakke kracht M. Veltman t Hooft 1999 Neutrino scattering Het lijkt eenvoudig dat quarks de elektrozwakke wisselwerking op dezelfde wijze als leptonen ondergaan Niet helemaal Najaar 2007 Jo van den Brand 19

20 Universaliteit van de zwakke interactie Zwakke doubletten: e u u,, e L L d dcos sin L c s c L L g g cos C g sin C e e g 4 purely leptonic cos n pe e g C semi-leptonic, S pe e g C semi-leptonic, S sin 1 Najaar 2007 Jo van den Brand 20

21 Kobayashi, Maskawa and CP Violation b W gv ub u Progress of Theoretical Physics 49, 652 (1973) Sterkte van de vertex koppeling is gv ij g is de universele Fermi zwakke koppeling V ij hangt af van betrokken quarks Voor leptonen is de koppeling g Voor 3 generaties is V ij een 3x3 matrix Deze matrix heet de CKM matrix (Cabibbo, Kobayashi, Maskawa) De matrix roteert de quarktoestanden van een basis met massa eigentoestanden in een waarin ze zwakke eigentoestanden zijn Najaar 2007 Jo van den Brand V d V s V b V V V V V V V V V V ud cd td ud us ub CKM cd cs cb td ts tb V V V us cs ts V V V ub cb tb d s b

22 Nobelprijs natuurkunde 2008 Yoichiro Nambu Makoto Kobayashi Toshihide Maskawa "for the discovery of the mechanism of spontaneous broken symmetry in subatomic physics" "for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature"

23 CKM matrixelementen Grootte 90% confindence level to to to to to to to to to t c b s d V ub << V cb << V us u Matrix diagonaal: b en s stabiel Bijna diagonaal: b en s verval onderdrukt Dus, B mesonen en kaonen hebben lange levensduur Najaar 2007 Jo van den Brand 23

24 Samenvatting Jo van den Brand

25 Yukawa potentiaal Relativistische golfvergelijking Klein-Gordon vergelijking Statische oplossing Als M X = 0 dan als elektrostatica Yukawa 1949 Als M X 0 Relatie tussen range en massa Jo van den Brand

26 Mesonen - het pion Yukawa (1934): uitgewisseld meson (analoog aan foton voor EM) dracht (range) m p = 140 MeV a = m Powell (1947): ontdekking van het pion in kosmische straling C.F. Powell 1950 Najaar 2007 Jo van den Brand 26

27 Kaonen K + K 0 p p Najaar 2007 Jo van den Brand 27

28 Isospin +1/2 K ( su) K 0 ( sd ) -1/2 K 0 ( sd ) K ( su) +1-1 Vreemde deeltjes Vreemdheid E 0 0 p drempel (GeV) p p K p p K n n p p K K p 1.5 Jo van den Brand In het algemeen: moeilijker (i.e. hogere drempel) om S=-1 deeltjes te maken dan S=+1 als het target een p of n (i.e. materie!) is, en de bundel uit p + or p - bestaat Voor S=+1, dienen we ergens een antiquark vandaan te halen Een pure K 0 of K + bundel maken: onder de drempel

29 Observaties: 1) Grote productie werkzame doorsnede 2) Lange levensduur deeltjes worden altijd in paren gemaakt Jo van den Brand

30 Vreemdheid Nieuwe mesonen en baryonen Eenvoudig in paren te produceren (`associated production ) Additief quantumgetal S (vreemheid): s-quark Lange levensduur Sterke wisselwerking behoudt vreemdheid Zwakke wisselwerking niet! Najaar 2007 Jo van den Brand 30

31 Quarksystemen: hadronen u, d, s quarks: meson en baryon multipletten d s qq us qqq su sd pseudoscalar (J P = 0 - ) octet + singlet Najaar 2007 Jo van den Brand 31

32 Baryon massa spectrum Gell-Mann 1969 usd uds - mass splitsing 80 MeV/c 2 vanwege spin-spin interactie Systematiek leidt tot diverse empirische massa formules Jo van den Brand

33 SLAC: y3105 Brookhaven: J Ontdekking van de J/y Sam Ting en Burt Richter kregen in 1976 de Nobelprijs voor hun ontdekking cc Jo van den Brand 33

34 Wat de naam betreft: Waarom y? Verval is: y(2s) J/y + p + + p - Gevolgd door J/y e + e - Het is handig als een deeltje zich zelf een naam geeft! Mark I (SPEAR) Event Display Jo van den Brand

35 1977: Ontdekking van de 1988 bb Najaar 2007 Jo van den Brand 35

36 Verrassing: de B meson levensduur MAC en MARK-II waren Detectoren bij PEP, een 30 GeV e + e - collider op SLAC (Stanford) Jo van den Brand

37 Najaar 2007 Ontdekking Top Quark: CDF & D0, 1994/5

38 Behoud van lading Verval van elektron: t > jaar Lading is veelvoud van e Additief quantumgetal Ladingsbehoud corresponderende symmetrie? Jo van den Brand

39 Behoud van baryongetal Proton is ook stabiel t > jaar Baryongetal B = 1 voor p en n quarks B = 1/3 antiquarks B = -1/3 Leptonen, mesonen hebben B = 0 Jo van den Brand

40 Behoud van leptongetal Pion verval Antideeltjes hebben dezelfde levensduur en B.R. Reacties B.R. < treedt niet op Najaar 2007 Jo van den Brand 40

41 CP schending: materie-antimaterie asymmetrie Jo van den Brand

42 Antimaterie Elk deeltje heeft antideeltje met dezelfde massa levensduur spin maar tegenovergestelde lading magnetisch moment en andere quantumgetallen Deeltjes en antideeltjes annihileren e + +e - + Maar ook gecreeerd worden e + +e - P. Dirac 1933 Jo van den Brand

43 De ontdekking van antimaterie 23 MeV/c C. Anderson 1936 Anderson (1932) ontdekte het door Dirac voorspelde positron 6 mm lead B = 1.5 T Najaar 2007 Jo van den Brand 43

44 Kaon verval m K ~ 494 MeV/c 2 1. Er bestaan geen vreemde deeltjes lichter dan de kaonen Verval schendt dus vreemdheid 2. Sterke wisselwerking behoudt vreemdheid Verval is zuivere zwakke interactie Hadronic decays: K K K K p p, p p p, p p p p p, p p p, p p p p p, p p p, p p, p p p p p, p p p, p p, p p p Semi-leptonic decays: K K K K p, p e p, p e p, p e p, p e e e e e leptonic decays: K K K K 0 0, e, e, e e, e e e e Hadronisch en leptonisch verval: Deeltje en anti-deeltje gedragen zich hetzelfde Semi-leptonisch verval: Deeltje en anti-deeltje zijn verschillend van elkaar! Najaar 2007 Jo van den Brand 44

45 Vreemdheid oscillaties Semi-leptonisch verval CPLEAR, PLB 1999 K 0 K 0 Verschil tussen materie en antimaterie (K 0 -K 0 )/(K 0 +K 0 ) Cronin & Fitch 1980 decaytime / t KS Najaar 2007 Jo van den Brand 45

46 CP is a broken symmetry! Jo van den Brand