Deel 1: in het Standaard Model bestaan er 3 generaties (flavours) neutrino s. dit werd met grote precisie bevestigd door de metingen bij de LEP

Transcriptie

1 In dit hoofdstuk worden eerst de ontdekkingen van de neutrale en geladen leptonen besproken. Vervolgens wordt de ontdekking van het pion besproken, nauw verbonden met de ontdekking van het muon. Ten slotte volgt een bespreking van de ontdekking van de eerste vreemde deeltjes, die een s-quark bevatten. Na de ontdekking van het elektron als deeltje verantwoordelijk voor lading door J.J. Thomson in 1897 volgt de bevestiging door Einstein dat licht bestaat uit kwanta met energie E=hν. Einstein test experimenteel het foto-elektrisch effect. De verstrooiingsproeven van Rutherford tonen dat het atoom grotendeels leeg is, en bestaat uit een kleine dense kern. Rutherford voorspelt het bestaan van het neutron, neutraal equivalent van de waterstofkern. Het neutron wordt in 1932 waargenomen door J. Chadwick. De observatie van schending van behoud van vier-impuls en impulsmoment leidt Pauli in 1930 tot de voorspelling van het bestaan van het neutrino. Het duurt tot 1956 vooraleer men in staat is om neutrino s waar te nemen. De eerste interacties van elektron antineutrino s bij een reactor worden gerealiseerd door Cowan en Reines. In 1935 maakt H. Yukawa de voorspelling dat er mesonen bestaan, sterk interagerende hadronen met massa tussen deze van het elektron en het proton. Het pion is volgens Yukawa het deeltje dat verantwoordelijk is voor de sterke interacties tussen nucleonen. Het duurt tot 1947 vooraleer men de pionen ontdekt in kosmische straling. Terzelfdertijd zijn ook muonen in kosmische straling waargenomen. Gedurende een hele tijd was er verwarring over welk van de twee deeltjes nu het Yukawa meson was. Bleek dat het pion vervalt in het muon. Met de ontdekking van het muon heeft men de 2de generatie leptonen aangeboord. De discussie van de Yukawa theorie volgt in hoofdstuk V. Parallel met de ontdekking van de pionen en muonen heeft men in kosmische straling in 1947 vreemde deeltjes ontdekt: kaonen en lambda s. Hiermee werd een nieuw kwantumgetal, vreemdheid, geassocieerd, en werd de 2de generatie quarks aangeboord. Voor de meeste ontdekkingen gedaan in de periode tot 1960 gebruikte men nucleaire emulsies of nevelvaten. Een overzicht van deze detectoren wordt gegeven in hoofdstuk IV. 1

2 Deel 1: in het Standaard Model bestaan er 3 generaties (flavours) neutrino s. dit werd met grote precisie bevestigd door de metingen bij de LEP versneller in CERN. We zullen het postulaat van het neutrino door Pauli bespreken, vervolgens de ontdekking van de 3 soorten neutrino s. Het neutrino is enkel gevoelig aan de zwakke wisselwerkingen. Dit betekent dat de kans om te interageren zeer klein is en men grote detectoren nodig heeft met grote dichtheid aan kernen. Het heeft bvb 25 jaar geduurd tussen de invoering van het elektronneutrino om beta verval te verklaren, en de waarneming van de eerste neutrino s bij een reactor. Deel 2: het elektron werd ontdekt door Thomson on 1897, het muon wordt besproken samen met de ontdekking van het pion. Het tau-lepton wordt in dit deel besproken. Deel 3: waarneming eerste pion (u,d quarks) en muon en verband met de Yukawa theorie voor de sterke wisselwerkingen. Deel 4: ontdekking vreemde deeltjes. Men heeft ze zo genoemd omdat ze sterk wisselwerken maar zwak vervallen. Ze dragen een nieuw kwantumgetal, vreemdheid, verbonden met het s-quark. 2

3 3

4 4

5 5

6 6

7 In 1935 is men overtuigd dat materie bestaat uit 4 deeltjes: p,n,e,neutrino. Men kan met deze deeltjes alle atomen bouwen. Wat nog ontbreekt is het deeltje dat de propagator is voor de sterke wisselwerkingen, het meson uit de Yukawa theorie. Alle experimenten zijn dan ook gericht op de ontdekking van dit meson. In 1937 ontdekt men in kosmische straling een penetrerend deeltje (het muon) dat men eerst aanziet als het meson van Yukawa. In 1947 ontdekt men het pion dat sterk interagerend is (en bijgevolg het Yukawa meson is) en in een muon en neutrino vervalt. De pion-muon puzzle is opgelost. ost Men stelt t zich de vraag of het neutrino uit pion verval hetzelfde neutrino is als in beta verval van het neutron. In muon verval worden 2 neutrino s geproduceerd. Men postuleert het bestaan van 2 soorten neutrino s: elektron en muon type. Steinberger en Co stellen voor om een muon-neutrino bundel te bouwen vertrekkend van pion verval. Dit is de eerste keer dat men neutrinobundels kan realiseren. Hun experiment toont aan dat er inderdaad 2 soorten neutrino s bestaan. Dit wordt in deze paragraaf besproken. 7

8 Dit experiment werd uitgevoerd door J. Steinberger. Hij heeft voor de ontdekking van het muon neutrino en de productie van de eerste neutrinobundel de Nobelprijs gekregen in

9 9

10 10

11 Met de ontdekking van het tau-lepton in 1975 (zie deel 2) is het aantal lepton generaties uitgebreid van 2 naar 3. In 1977 werden deeltjes met b-quark ontdekt, zodat toen het aantal generaties quarks ook uitgebreid werd naar 3. Het top quark werd pas ontdekt in 1995 (zie hoofdstuk IX). In 2000 werd voor het eerste tau-neutrino bundels geproduceerd en werden interacties van tau-neutrino s waargenomen. Daarmee is het plaatje van de bestaande leptonen volledig: er zijn 3 generaties leptonen, elke generatie bestaan uit een geladen en neutraal lepton. Het aantal neutrino soorten werd met grote nauwkeurigheid gemeten bij de LEP versneller in CERN, en is gelijk aan 3. Er dient opgemerkt te worden dat dit enkel geldt binnen het Standaard Model. Theoriën buiten het Standaard Model kunnen meer soorten neutrino s voorspellen, maar deze werden nog niet waargenomen. 11

12 12

13 13

14 14

15 Dit is een van de tau-neutrino interacties, bekeken in verschillende projecties en met zoom op de emulsieplaten. De interactie vertex (interactie punt IP) wordt voorspeld door de sporenkamers in de spectrometer. De metingen van alle sporen in de sporenkamers worden ge-extrapoleerd tot een punt (binnen de µm meetresolutie). Nadien scant men de emulsie om te zoeken naar een interactiepunt rond de voorspelde positie. Het tau-lepton (rood) is ge-identificeerd als het spoor met een knik (kink) op 4,5 mm van het interactiepunt te wijten aan zijn verval (korte levensduur!). In de detector werd in het verlengde van het (groene) elektron spoor een elektromagnetische shower gevonden. Het gaat hier dus om een tau verval in elektron en 2 neutrino s (welke?). Er werden opnames gemaakt tijdens 6 maanden in daarin werden 500 interacties weerhouden waarbij een interactiepunt voorspeld werd in de emulsieplaten. Hiervan waren er 203 events mogelijke neutrino interacties (elektron, muon of tau neutrino interacties). Er werden 4 tau-neutrino kandidaten gevonden, waar men 0.34 achtergrond gebeurtenissen verwacht volgens het standaard model. 15

16 16

17 SPEAR is een e+e- collider die botsingen produceerde bij massamiddelpuntsenergie van 4 tot 8 GeV. Deze versneller is beroemd omdat daar het eerste deeltje met charm ontdekt werd in 1974 (zie hoofdstuk IX) en vervolgens het tau-lepton in In het experiment van M. Perl werden 64 gebeurtenissen met een elektron + muon waargenomen. Er was geen conventionele uitleg hiervoor: behoud van generatie leptongetal verbiedt de productie van een elektron + muon. Men vermoedde dat er twee zware leptonen e (tau-leptonen) e geproduceerd d werden die elk vervielen in elektron of muon. De metingen waren hiermee in overeenstemming. In de interactie (1) staat X voor geladen hadronen die ontsnappen aan detectie omdat de detector geen 4p ruimtehoek beslaat, of neutrino s, of fotonen, of neutrale hadronen. 17

18 De anomalie in de gebeurtenissen ligt in het feit dat men een combinatie elektron+muon detecteert. Dit is verboden volgens behoud van lepton generatie getal (lepton flavour). Vermits de 2 geladen deeltjes niet op een lijn liggen zijn ze geproduceerd in het verval van een zwaarder deeltje. Uit vier-impuls behoud kan men afleiden dat er minstens 2 niet-gedetecteerde deeltjes geproduceerd zijn, waarschijnlijk neutrino s. Buiten het elektron en muon zijn er geen geladen deeltjes, noch fotonen waargenomen. Uit behoud van vier-impuls kan men berekenen dat het nieuwe deeltje een massa van de orde GeV/c2 heeft. 18

19 De ontdekking van het pion en het muon zijn nauw met elkaar verbonden. Yukawa postuleerde in 1935 dat het kwantum van de sterke wisselwerkingen een meson was met een massa tussen dat van het elektron en dat van het proton. Dit wordt besproken in hoofdstuk V. Zijn theorie is analoog aan deze voor elektromagnetisme: tussen twee sterk interagerende deeltjes wordt een meson uitgewisseld op analoge manier als het foton tussen twee geladen deeltjes. Het verschil is dat het meson een massa verschillend van nul heeft en bijgevolg de dracht dac van deste sterke ewisselwerking e zeer kort otis. De theorie werd pas echt bevestigd toen het pion ontdekt werd. Pion uitwisseling beschrijft de sterke wisselwerkingen goed op grote afstand (atoomkern), niet op afstanden tussen quarks. Voor de beschrijving van interacties tussen quarks heeft men quantum-chromo-dynamica (QCD) nodig, zoals we zullen zien in hoofdstuk V en X. 19

20 Zowel het muon als het pion hebben een massa in de buurt van de verwachting voor het Yukawa meson: het muon heeft massa 105 MeV/c2 en het geladen pion heeft een massa van 139 MeV/c2. In de periode heeft men eerst in kosmische straling muonen ontdekt en een tijd gedacht dat dit het Yukawa meson was. Vervolgens heeft men in kosmische straling pionen waargenomen. Deze bleken het Yukawa deeltje te zijn, met de juiste massa en onderhevig aan de sterke wisselwerkingen. Men heeft ook ontdekt dat het pion vervalt in het muon. De pion-muon puzzle is opgelost in De opstelling van Neddermeyer & Anderson was analoog als het nevelvat waarin Anderson het positron ontdekt heeft (zie hoofdstuk). Het verband tussen de/dx en βγ=p/m wordt gegeven door de Bethe Bloch formule voor ionisatie en wordt besproken in hoofdstuk IV. Uit de kromtestraal r en het magneetveld B kan men de impuls p van een deeltje met lading q berekenen als: p=qbr (Lorentz kracht). Een proton van 100MeV/c heeft een snelheidsfactor βγ=p/mc=100/938ª0,1 wat overeenkomt met een snelheid v ª 0,1c. Terwijl voor een muon van 100 MeV/c βγ=p/mc=100/105ª1 wat overeenkomt met een snelheid v ª 0,7c. 20

21 We weten nu dat dit penetrerend deeltje het muon was. Dit is een lepton en is bijgevolg niet onderhevig aan de sterke wisselwerkingen. Het kon dus niet het kwantum van de sterke wisselwerkingen zijn. 21

22 Het doel van de experimenten van Conversi en collega s was het gedrag van de pas ontdekte penetrerende deeltjes in de absorbers te onderzoeken. In de absorbers worden de deeltjes vertraagd tot zeer lage snelheid. In het mangeetveld zullen de positieve deeltjes en negatieve deeltjes in andere richtingen afgebogen worden. Zo kan men ze van elkaar onderscheiden. De typische tijd voor sterke interacties is s, terwijl de typische tijd voor zwak verval van de orde s is. De probabiliteit voor absorptie hangt af van de dichtheid van de kernen. In Fe worden de negatieve muonen dus vaker gestopt dan in C. 22

23 Cecil Powell heeft in 1950 de Nobelprijs gekregen voor de ontwikkeling van fotografische methodes voor de studie van nucleaire processen en voor het ontdekken van het geladen pion. Hij heeft in 946 een proces uitgewerkt waardoor de concentratie aan emulsie groter werd en korte sporen beter zichtbaar werden. 23

24 24

25 Het neutraal pion vervalt elektromagnetisch. De geladen pionen vervallen zwak: het is een twee-deeltjes verval. Bijgevolg is het muon spoor altijd even lang. In muon verval worden 3 deeltjes geproduceerd. Het positron heeft een energieverdeling en zijn spoor heeft variërende lengte (zie oefeningen). 25

26 In 1943 werd door Louis Leprince-Ringuet in een nevelvat opgesteld in de Franse Alpen een ongekend positief deeltje ontdekt met een massa tussen dat van het elektron en dat van het proton. Dit was het eerste geladen kaon. In 1947 hebben G.D. Rochester en C.C. Butler nieuwe onstabiele materie waargenomen in twee opnames met een nevelvat: een neutraal en een geladen V deeltje. Deze blijken te vervallen in geladen deeltjes. Dit waren een neutraal en geladen kaon. Het eerste Λ deeltje werd ontdekt in 1951 in kosmische straling. Ondertussen had men in 1947 ook het geladen pion en het muon ontdekt, t, ook in kosmische straling. De nieuwe deeltjes hadden een vreemd gedrag: zij interageren volgens de sterke wisselwerkingen, maar hebben een lange levensduur, van de orde verwacht voor zwakke wisselwerkingen. De deeltjes blijken later bij versnellers steeds in paar voor te komen. Men geeft de nieuwe deeltjes een nieuw kwantumgetal, vreemdheid, dat additief behouden is in de sterke wisselwerkingen, maar niet noodzakelijk behouden is in de zwakke interacties. De neutrale kaonen (kaon en anti-kaon) zijn experimenteel niet waarneembaar maar mengen tot twee kaon toestanden (K-short en K-long) die een zeer verschillende levensduur hebben en waarneembaar zijn. Dit is het fenomeen van kaon mixing. Dit fenomeen houdt verband met schending van CP-symmetrie in de zwakke wisselwerkingen (zie hdst VII). 26

27 Leprince-Ringuet plaatste een nevelvat in een magentisch veld van 2,5 Tesla, in de Franse Alpen, met de bedoeling om penetrerende deeltjes uit de kosmische straling te bestuderen (de muonen die toen pas ontdekt waren). Dit zijn deeltjes die weinig energie verliezen in de detector. Een van de foto s toonde een positief deeltje met impuls van 500 MeV/c dat een secundair deeltje produceerde met impuls 1 MeV/c. Hij veronderstelde dat het om een elastische botsing van het nieuw deeltje met een elektron ging. Daaruit leidde hij de massa van het kaon af : MeV/c2 (K+ massa is 493,68 MeV/c2). Het kon geen proton zijn. 27

28 Rochester en Butler (Manchester) doen experimenten met een nevelvat in een magneetveld om de deeltjes te bestuderen die geproduceerd worden door interacties van kosmische straling met een Pb plaat. Zij vinden twee onbegrijpelijke opnames. Het blijken nieuwe onstabiele deeltjes te zijn met een verval in de vorm van een V. Men noemt ze dan ook V+ en V0 deeltjes. Om de statistiek te verhogen hebben ze het nevelvat verplaatst naar de Pic du Midi (Franse Pyreneen) waar de rate aan kosmische straling hoger was. Toen werden twee soorten V deeltjes waargenomen. Het bleek om K-mesonen en Λ hyperonen te gaan. 28

29 Dit zijn de eerste opnames van Rochester en Butler. 29

30 Het K+ komt links binnen en vervalt in 3 pionen (A). Twee ervan verlaten de emulsieplaat ( a en b), het derde d pion interageert tin B en produceert ttwee geladen deeltjes. Dit bevestigt tdat het nieuwe deeltje met massa tussen de elektron en proton massa onstabiel is. 30

31 Zoals later zal blijken worden vreemde deeltjes in een interactie steeds in paren geproduceerd. Men spreekt van geassocieerde productie. Het Lambda vervalt in een proton. Wegens behoud van baryongetal moet het lambda dan een baryon zijn. 31

32 De werkzame doorsnede meet de probabiliteit dat een interactie plaats grijpt. Dit wordt besproken in hoofdstuk VI. Mosten de vreemde deeltjes sterk vervallen dat zou hun levensduur van de orde s zijn. 32

33 Men heeft ervoor gekozen om het positieve K + een positieve vreemdheid te geven. Bijgevolg heeft het s-quark een negatieve vreemdheid. 33

34 De K 0 en anti-k 0 kwantummechanische toestanden gaan in elkaar over door een C-pariteit transformatie (deeltje naar antideeltje). Deze toestanden zijn zelf niet waarneembaar. Ze mengen echter en dit geeft aanleiding tot de 2 waarneembare toestanden K 0 s (K 0 short) en K 0 L(K 0 long), met sterk verschillende levensduur. Het feit dat geladen kaonen zowel in 2 als in 3 pionen kunnen vervallen heeft lang voor controverse gezorgd, de zgn τ-θ puzzle. Immers een twee-pion systeem heeft pariteit P=+1 terwijl de pariteit van een drie-pion systeem = -1. De verklaring is dat pariteit t niet behouden is in de zwakke interacties es (vervallen). e Dit wordt besproken in hdst VII. 34

35 35