Antrittsvorlesung

1. Antrittsvorlesung 13. Juni 2005

2. Elementarteilchen Der Teilchenzoo aus heutiger Sicht

3. Die Welt um uns:

4. Die Welt um uns:

5. Die Welt um uns: aus der Sicht des Elementarteilchenphysikers

6. Die Welt um uns: aus der Sicht des Elementarteilchenphysikers von 1937 ein konsistentes Bild

7. Who ordered that ? Isidor Rabi Das Müon e Entdeckung 1937 µ Nebelkammer

8. Teilchengenerationen Warum gibt es mehr als eine Teilchengeneration ? Frage nach wie vor ungeklärt Wir wissen heute: Es gibt 3 Generationen (LEP) Intensive Forschung seit der Entdeckung des Müons

9. GIM Mechanismus braucht c-Quark Die Welt vor dem Tau: Das fehlende c-Quark war vorhergesagt • u d • u s • d s • d d • u u • s s schwache Zerfälle

10. Die Entdeckung des c-Quarks Sam Ting BNL Burt Richter SLAC November 1974 Herbst 1974

11. Charmonium Ein Atom c-Quark c-Antiquark aus Quarks

12. Ψ J J Ψ Die Entdeckung des c-Quarks Sam Ting BNL Burt Richter SLAC

13. SPEAR Stanford Positron Electron Accelerator Ring e+e- 3 … 7 GeV Schwerpunktsenergie November 1974

14. Martin Perl SPEAR Stanford Positron Electron Accelerator Ring e+e- 3 … 7 GeV Schwerpunktsenergie November 1974

15. Who ordered that ? LEP Vermutung: e+ e-τ+ τ- τ- µ-νµντ τ+ e+νeντ Aber ! Entdeckung des tau-Leptons Leptonzahl π+ µ+νµ µ- e-νeνµ Z0µ+ µ- Z0  e+ µ- e+ e- e+µ- fehlende Energie

16. Der Name griechisch triton das Dritte

17. Die Neutrinohypothese tm kinematisch verboten verletzt E-Satz tm n 2-Körper-Zerfall monoenergetische µ tm n n 3-Körper-Zerfall kontinuierliches Spektrum Entdeckung des Tau-Neutrinos ?

18. Ve 2 Vµ 1 17,84 % 17,36 % = Die Neutrinohypothese 2 Ortho-Lepton t+e+nene t+m+nµne t+≡ e+ t+e+ e+ e- Para-Lepton t+e+nene t+m+nµne t+≡ e- Sequentielles Lepton t+e+nent t+m+nµnt teigene Generation okay

19. Neutrinonachweis

20. +0.29 -0.26 1776.99 MeV/c2 Die Masse e+ e- t+ t- ECM > 2 mt Beijing Electron Positron Collider BEPC

21. Die Lebensdauer ein typisches Ereignis im OPAL Detektor e+e-Z0t+ t- t+m+nmnt t-p-p-p+nt Flugstrecke l = γβ c T

22. Die Lebensdauer

23. Die Lebensdauer 290.6 ± 1.1 fsec

24. Silizium – Detektoren für den CMS - Tracker

25. Tau Physik Michel- parameter αs Paritäts- verletzung schwache Kopplung elektr. Dipolmoment Lebensdauer magn. Moment Leptonzahl Wess-Zumino Anomaly Masse PCAC (partially conserved Axialvector Current) EPR Polarisation CP Verletzung Resonanz- strukturen Anapole Moment Neutrino Helizität Isospin Verletzung Neutrino masse Quark-Hadron Dualität Verzweigungs- verhältnisse 2nd class currents Cabibbo Winkel CVC (conserved Vector Current)

26. Tau Physik Michel- parameter αs Paritäts- verletzung schwache Kopplung elektr. Dipolmoment Lebensdauer magn. Moment Leptonzahl Wess-Zumino Anomaly Masse PCAC (partially conserved Axialvector Current) EPR Polarisation CP Verletzung Resonanz- strukturen Anapole Moment Neutrino Helizität Isospin Verletzung Neutrino masse Quark-Hadron Dualität Verzweigungs- verhältnisse 2nd class currents Cabibbo Winkel CVC (conserved Vector Current)

27. Materie Anti-Materie CP-Symmetrie kombinierte Symmetrietransformation Raumspiegelung x Materie  Antimaterie

28. CP-Symmetrie Erzwingt gleiches Verhalten vonMaterie  CP (Materie) e+ t- t+ e- insbesondere Produktion gleicher Mengen Materie und Antimaterie

29. Heute ausschließlich Materie Materie im Universum Urknall Materie = Antimaterie

30. Materie – Antimaterie Vernichtung  Materieüberschuss bleibt zurück  heutige Materie Heute: 1 Baryon / 6 1010 Photonen Sakharov Bedingungen 1966 Bedingungen für die Entstehung eines Materieüberschusses im Universum 1. Verletzung der CP-Symmetrie 2. Nichterhaltung der Baryonenzahl 3. Thermodynamisches Ungleichgewicht

31. CP-Symmetrie heute Verletzung der CP-Symmetrie beobachtet (1964 Cronin/Fitch K0L p p) Standard Modell enthält CP-Verletzung (1972 Kobayashi Maskawa) B-Fabriken bestätigen Standard Modell (2001 B0 J/Y K0) CP Verletzung zu gering um Materieüberschuss quantitativ zu erklären!  Suche nach CP-Verletzung in der Tau-Produktion

32. CP-Observablen CP ungerade Observablen CP O = - O CP Symmetrie < O >= 0 < O >≠ 0 CP Verletzung

33. Erwartungen unmeßbar klein (dt ≈ 10-34 e cm) jenseits des Standard Modells

34. CP-Observablen

35. CP-Observablen Observable: Impuls + Spin von t+ und t-

36. Taus bei OPAL ca. 100.000 e+ e-t+ t- 5 Zerfälle untersucht: t  m nm nt t  e ne nt t  p nt t  p p nt t  p p p nt • Impulsmessung • Spinvektor aus Impulsen der Zerfallsprodukte

37. Resultate

38. Resultate Schwaches Dipolmoment des Taus < O >= c dt | Re (dt) | < 3.2 10-18 e cm | Im (dt) | < 9.4 10-18 e cm

39. n t- e+ e- t+ n dt~ mt3 / mf2 Ausblick dt~ mt3 / mf2 Weitere Verbesserungen erst mit dem ILC

40. t-  m- nm nt t+  m+ nm nt t-  p- p+ p- nt D- t- nt t-  K- nt Leptonzahl S (Leptonen – Antileptonen)Anfang = S (Leptonen – Antileptonen)Ende für jede Generation B0 D-t+ nt e+e-t+ t- t bt+ nt keine Verletzungen beobachtet

41. Neutrino Oszillationen p -> m nm

43. Neutrino Oszillationen p -> m nm nm  nt  nm  nt  nm Leptonzahl verletzt !

44. t-  m- Leptonzahl Auswirkungen auf das Tau ? nt t- nm W- m-

45. Neutrino- oszillation ntnm t-  m- Leptonzahl Auswirkungen auf das Tau ? nt t- nm W- m- okay Aber: Energie/Impulssatz verletzt

46. t-  m- g Leptonzahl Auswirkungen auf das Tau ? nt t- nm g W- m- Verzweigungsverhältnis Standard Modell: 10-40 andere Modelle: 10-40… 10-6

47. Leptonzahl Auswirkungen auf das Tau ? nt m+ t- nm m- W- m- t-  m- m+m- Verzweigungsverhältnis Standard Modell: 10-40… 10-14 andere Modelle: 10-40… 10-7

48. t-  m- g Suche: ca. 108t e+e-t+ t- t- m- g t+e+nent Inv. Masse (m + g) = Masse (Tau) Energie (Myonen) = Energie (Tau)

49. t-  m- g Suche: BaBar • 13 observed • 7.81.4 events expected • Prob. of 7.81.4 events • fluctuating to 13 or more in • absence of signal is 7.6%. • efficiency = 5.2  0.1  0.5% • N=56million BR(t)<2.0x 10-6 @90%CL

50. t-  m- m+m- Suche: mit CMS am LHC Vorteil: Mehr taus Nachteil: Mehr Untergrund