Die Entdeckung des J/ Ψ

1. Die Entdeckung des J/Ψ 14.12.04 Vortrag zum Seminar Kern- und Teilchenphysik Malte Mielke

2. Entdeckung eines neuen Teilchens (J/Ψ), dass man als Verbindung einer neuen Quarksorte („Charm“) interpretieren konnte Endgültiger Durchbruch des Quark-Modells Bereits 1976 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet Was ist 1974 Besonderes passiert?

3. Einführung Experimente Theorie Das Problem mit den neutralen Strömen Voraussage eines neuen Quarks Inhalt

4. Wissensstand vor November 1974 • Drei Quarks (up, down, strange) • Vier Leptonen (Elektron + Neutrino, Myon + Neutrino) Fehlt da was?

5. Exkurs in die Theorie der schwachen Wechselwirkung • Bei schwachen Prozessen, in denen sich Neutrinos in Leptonen umwandeln (oder umgekehrt), spricht man von „Geladenen Strömen“ • Gibt es auch Prozesse in denen Neutrinos sich nicht umwandeln (Neutrale Ströme)?

6. Damalige Annahme: Wenn WW des neutralen Stroms existiert, müssen z.B. neutrale Kaonen in Myonenpaare zerfallen können: Zerfall konnte nicht nachgewiesen werden. Aber: 1973 gelang der Nachweis der neutralen Ströme bei der Untersuchung von Neutrinowechselwirkungen. Was verhindert den Zerfall der neutralen Kaonen?

7. Mögliche Lösung: Die Einführung von Charm • 1970 entwickeltes Verfahren von Glashow, Iliopoulos und Maiani („GIM“) • Grundlegende Annahme ist die Existenz eines vierten Quarks mit der neuen Quantenzahl Charm (ähnlich der Seltsamkeit des Strange-Quarks) • Damit ist analog zur schwachen WW in u-d-Quarksystemen eine „zweite“ schwache Wechselwirkung denkbar, die zwischen s- und c-Quarks wirkt. Zwei Wechselwirkungen ähnlicher Größenordnung, aber mit entgegen gesetztem Vorzeichen Destruktive Interferenz

8. Welche Eigenschaften sagt die Theorie voraus? • c-Quark eine Art „Schwerer Bruder“ des u-Quarks mit Ladung +2/3 • Die Masse des c-Quarks hat Einfluss auf die WW des neutralen Stroms und darf daher nicht beliebig größer sein als die Masse des u-Quarks. Numerische Analyse: m < 2000 MeV • Neuer Freiheitsgrad „charm“

9. Inhalt • Einführung • Experimente • Theorie • Erzeugung von Charmonium in Elektron-Positron-Reaktionen • Erzeugung von Charmonium in Proton-Nukleon-Reaktionen

10. Die Entdeckung von Charmonium (J/ψ) • Zwei unabhängig voneinander durchgeführte Experimente: • SLAC (Stanford): Burton Richter • BNL (Brookhaven): Sam Ting

11. Elektron-Positron-Kollisionen am SLAC • Prinzip der Teilchenerzeugung: 1. Teilchen und Anti-Teilchen werden im Linearbeschleuniger beschleunigt und im Speichering zur Kollision gebracht 2. Bei der Vernichtung entsteht ein virtuelles Photon mit den Quantenzahlen 3. Die aus dem Photon entstehenden Teilchen erfüllen zwei Kriterien: • Die Gesamtmasse der erzeugten Partikel ist kleiner oder gleich der Energie des Photons • Die Quantenzahlen müssen in der Summe ergeben SPEAR Speicherring

12. Einige Fakten zum Experiment • Der Ring speichert je ein Bündel Elektronen und Positronen (Umlauf in entgegen gesetzte Richtungen!) • Um die Teilchenbündel mehrere Stunden speichern zu können, wird der Druck auf 0,7 mPa gehalten • Für die Energie im Massenschwerpunkt lassen sich Energien bis zu 8 GeV erreichen • Die Energieverluste durch Synchrotron-Strahlung werden durch einen Hohlraumresonantor mit einer Leistung von bis zu 300 kW ausgeglichen

13. Mark 1 Detektor Spule erzeugt Magnetfeld (0,4 T) parallel zur Strahlrichtung

14. Wie misst man was? • Impuls: Funkenkammern messen Trajektorien der geladenen Teilchen. Aus der Krümmung im Magnetfeld lässt sich der Impuls berechnen • Geschwindigkeit: Flugzeitmessung zwischen den Trigger-Zählern (Szintillationszähler) • Teilchenidentifizierung: Elektronen bilden im Kalorimeter elektrom. Schauer aus, Hadronen werden durch Eisenmantel gestoppt. Die äußeren Funkenkammern können nur Myonen erreichen.

15. Proton-Nukleon-Experimente am BNL • Grundideen des Experiments: • Beschuss eines Beryllium-Targets mit Protonen der Energie 30 GeV • Die bei der Reaktion entstehenden Elektronen und Positronen werden mit einem so genannten „Double Arm Spectrometer“ untersucht. Alle übrigen bei der Reaktion entstehenden Teilchen werden ignoriert.

16. Double-Arm-Spektrometer • Aufbau: Zwei „Arme“ im Winkel von 14,6° zur Strahlrichtung mit folgenden Bestandteilen: M0, M1, M2: Dipolmagnete A0, A, B, C: Vieldraht-Proportionalkammern (Vermessung der Trajektorien) C0, Ce: Cherenkov-Zähler (Identifizierung der Elektronen und Aussortierung unerwünschter Spuren) • Um Winkel und Impulse aus den selben Trajektorien bestimmen zu können werden die Teilchen im Magnetfeld vertikal abgelenkt

17. Bestimmung der invarianten Masse eines Elektron-Positron-Paares • Gegeben: Impulse und Winkel • Relativistische Energie: • Mit c = ħ = 1 → Besonders viele Teilchen einer bestimmten Masse → Hinweis auf neues Teilchen

18. Ergebnisse der Experimente • Deutliche Resonanzen bei 3,097 GeV (J/ψ) und 3,686 GeV (ψ‘) • Sehr geringe Halbwertsbreiten (gemessene FWHM resultieren aus den Detektorauflösungen bzw. Strahlauflösungen) • Damit verbunden: Hohe Lebensdauer des Zustands BNL SLAC Zerfallsrate des J/ψ: Hadronen: 88% Elektronen: 6% Myonen: 6%

19. Berechnung der tatsächlichen Halbwertsbreite Integration über Wirkungsquerschnitt σ (Aus Breit-Wigner-Formel) der Reaktion liefert de Broglie Wellenlänge der Teilchen im Ursprung Г: Gesamte Halbwertsbreite Das Integral entspricht der Fläche unter der Kurve des - Diagramms. Diese lässt sich numerisch bestimmen: Mit und folgt für Г: Tatsächliche Halbwertsbreite des J/ψ: Г = 0,091 MeV SLAC

20. Inhalt • Einführung • Experimente • Theorie • Interpretation der Resonanzen und Halbwertsbreiten • Das Spektrum von Charmonium • Quark-Antiquark-Potential • Der Zerfall von ψ‘

21. Interpretation der entdeckten Resonanzen • Gebundener Zustand eines neuen Quarks mit seinem Antiquark: • Lebensdauer: J/ψ lebt 1000 mal länger als vergleichbare Resonanzen ψ‘ zeigt ähnliches Verhalten Wieso leben J/ψ und ψ‘ so lange?

22. Die Zerfallskanäle von J/ψ • Zerfall über die starke WW: (a) (b) • Zerfall über elektromagnetische WW: Hadr., Lept. (c) • Zerfall (a) ist bevorzugt, findet aber nicht statt, da die D-Mesonen zu schwer sind (m = 1,86 GeV) • Zerfall (b) ist vergleichsweise langsam, da wegen Farb- und Paritätserhaltung drei Gluonen entstehen müssen • Elektromagnetische Prozesse (c) sind wesentlich schwächer als Prozesse der starken WW (a) (b) (c) J/ψ zerfällt zu 70% über (b) und zu 30% über (c)

23. Die Zerfallskanäle von J/ψ • Zerfall über die starke WW: (a) (b) • Zerfall über elektromagnetische WW: Hadr., Lept. (c) • Zerfall (a) ist bevorzugt, findet aber nicht statt, da die D-Mesonen zu schwer sind (m = 1,86 GeV) • Zerfall (b) ist vergleichsweise langsam, da wegen Farb- und Paritätserhaltung drei Gluonen entstehen müssen • Elektromagnetische Prozesse (c) sind wesentlich schwächer als Prozesse der starken WW (a) (b) (c) J/ψ zerfällt zu 70% über (b) und zu 30% über (c)

24. Das Spektrum von Charmonium – Vergleich mit Positronium Notation unterschiedlich: Charmonium: n = N + 1 Positronium: n = N + L + 1 • Für n = 1 und n = 2 große Ähnlichkeit der Spektren, für höheren Quantenzahlen aber verschieden • Bei kleinen Abständen verläuft das Potential coulomb-artig, bei größeren Abständen wächst es linear („Quark-Confinement“)

25. Kopplungskonstante wird kleiner mit kleiner werdendem Abstand Bei kleinen Abständen können Quarks als quasifreie Teilchen betrachtet werden („asymptotische Freiheit“) Quark-Antiquark-Potential Kopplungskonstante der starken WW

26. Zerfall des ψ‘ • Bei der direkten Erzeugung von Charmonium über ein virtuelles Photon können nur Zustände mit den Quantenzahlen entstehen. Die übrigen Zustände entstehen durch Zerfälle. • Für ψ‘ existieren acht erlaubte Übergänge. Sie können durch Nachweis der bei den Zerfällen entstehenden Photonen nachgewiesen werden • Auswahlregel für elektrische Dipolübergänge: ΔL = 1 ΔS = 0 • Auswahlregel für magnetische Dipolübergänge: ΔL = 0 ΔS = 1 Photonenzahl Photonenenergie [MeV] L = 0 L = 0 L = 1 S = 0 S = 1 S = 1

27. Zerfall des ψ‘ im Mark 1 Detektor

28. ENDE