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VektorbosonenVektorbosonenKilian LeßmeierKilian Leßmeier
Universität BielefeldUniversität Bielefeld
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InhaltInhalt
TeilchenartenTeilchenarten Die 4 GrundkräfteDie 4 Grundkräfte Die W-BosonenDie W-Bosonen Das Z-BosonDas Z-Boson Experimenteller NachweisExperimenteller Nachweis ZusammenfassungZusammenfassung
33
TeilchenartenTeilchenarten
- Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen:Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen:
- Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin- Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin
- Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin- Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin
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TeilchenartenTeilchenarten
- Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen :Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen :
- Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin- Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin
- Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin- Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin
- Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks;Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks;
Leptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schonLeptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schon
- Unterteilung der Bosonen in Higgs-Teilchen und EichbosonenUnterteilung der Bosonen in Higgs-Teilchen und Eichbosonen
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TeilchenartenTeilchenarten
- Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen :Man kann die Elementarteilchen grob in 2 Gruppen einteilen :
- Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin- Bosonen: Teilchen mit ganzzahligem Spin
- Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin- Fermionen: Teilchen mit halbzahligem Spin
- Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks;Fermionen werden weiter unterteilt in Leptonen und Quarks;
Leptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schonLeptonen unterliegen nicht der starken WW, Quarks schon
- Unterteilung der Bosonen in Higgs-Teilchen und EichbosonenUnterteilung der Bosonen in Higgs-Teilchen und Eichbosonen
- Als Eichbosonen bezeichnet man Photonen, Gluonen, Graviton Als Eichbosonen bezeichnet man Photonen, Gluonen, Graviton und die und die VektorbosonenVektorbosonen
66
Die 4 GrundkräfteDie 4 Grundkräfte
- Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich: 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich:
1. Starke WW 1. Starke WW
- stärkste WW- stärkste WW
- Reichweite ~ 2,5*10^-15 m- Reichweite ~ 2,5*10^-15 m
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Die 4 GrundkräfteDie 4 Grundkräfte
- Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich: 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich:
1. Starke WW 1. Starke WW
- stärkste WW- stärkste WW
- Reichweite ~ 2,5*10^-15 m- Reichweite ~ 2,5*10^-15 m
2. Elektromagnetische WW2. Elektromagnetische WW
- ~10^-2 mal so stark wie Starke WW- ~10^-2 mal so stark wie Starke WW
- unendliche Reichweite- unendliche Reichweite
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Die 4 GrundkräfteDie 4 Grundkräfte
- Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich: 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich:
1. Starke WW 1. Starke WW
- stärkste WW- stärkste WW
- Reichweite ~ 2,5*10^-15 m- Reichweite ~ 2,5*10^-15 m
2. Elektromagnetische WW2. Elektromagnetische WW
- ~10^-2 mal so stark wie Starke WW- ~10^-2 mal so stark wie Starke WW
- unendliche Reichweite- unendliche Reichweite
3. Schwache WW3. Schwache WW
- ~10^-13 mal so stark wie Starke WW- ~10^-13 mal so stark wie Starke WW
- Reichweite ~10^-18 m- Reichweite ~10^-18 m
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Die 4 GrundkräfteDie 4 Grundkräfte
- Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von Beschreibung aller in der Natur vorkommenden Kräfte anhand von 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich: 4 fundamentalen Wechselwirkungen möglich:
1. Starke WW 1. Starke WW
- stärkste WW- stärkste WW
- Reichweite ~ 2,5*10^-15 m- Reichweite ~ 2,5*10^-15 m
2. Elektromagnetische WW2. Elektromagnetische WW
- ~10^-2 mal so stark wie Starke WW- ~10^-2 mal so stark wie Starke WW
- unendliche Reichweite- unendliche Reichweite
3. Schwache WW3. Schwache WW
- ~10^-13 mal so stark wie Starke WW- ~10^-13 mal so stark wie Starke WW
- Reichweite ~10^-18 m- Reichweite ~10^-18 m
4. Gravitation4. Gravitation
- schwächste WW (Faktor ~10^-38)- schwächste WW (Faktor ~10^-38)
- unendliche Reichweite- unendliche Reichweite
1010
Die 4 GrundkräfteDie 4 Grundkräfte
- Eichbosonen sind die Austauschteilchen der 4 Grundkräfte und Eichbosonen sind die Austauschteilchen der 4 Grundkräfte und vermitteln diese Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchenvermitteln diese Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen
- Gluonen <-> Starke WW- Gluonen <-> Starke WW
- Photon <-> Elektromagnetische WW- Photon <-> Elektromagnetische WW
- - VektorbosonenVektorbosonen <-> Schwache WW <-> Schwache WW
- Graviton <-> Gravitation- Graviton <-> Gravitation
1111
Die W-BosonenDie W-Bosonen
- Aus der Energie-Zeit-Unschärfe lässt sich ein Zusammenhang Aus der Energie-Zeit-Unschärfe lässt sich ein Zusammenhang zwischen Reichweite und Ruheenergie der Austauschteilchen zwischen Reichweite und Ruheenergie der Austauschteilchen herstellen:herstellen:
m0c² Δt = m0c² R/c ≈ h/2π → R ≈ hc/ (2π m0c²)
- Als Fermi in den dreißiger Jahren erstmals die schwache WW behandelte, Als Fermi in den dreißiger Jahren erstmals die schwache WW behandelte, nahm er an, dass das Austauschteilchen die Reichweite R=0 hatnahm er an, dass das Austauschteilchen die Reichweite R=0 hat
=> Austauschteilchen müsste unendliche Ruheenergie haben,=> Austauschteilchen müsste unendliche Ruheenergie haben,
was unphysikalisch ist was unphysikalisch ist
1212
Die W-BosonenDie W-Bosonen
- Das Problem der unendlichen Ruheenergie wurde 40 Jahre später - Das Problem der unendlichen Ruheenergie wurde 40 Jahre später von Glashow, Salam und Weinberg gelöst:von Glashow, Salam und Weinberg gelöst:
- Sehr kleine Reichweite- Sehr kleine Reichweite
=> große, aber endliche Ruheenergie=> große, aber endliche Ruheenergie
- Außerdem gelang es ihnen die elektromagnetische und die Außerdem gelang es ihnen die elektromagnetische und die schwache WW zur „elektro-schwachen“ WW zu vereinigenschwache WW zur „elektro-schwachen“ WW zu vereinigen
1313
Die W-BosonenDie W-Bosonen
Der Beta-ZerfallDer Beta-Zerfall- Man unterscheidet 2 Arten: - Man unterscheidet 2 Arten:
1.1. n + νe → p + e- (β-)
2. 2. p + e- → n + νe (β+)
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Die W-BosonenDie W-Bosonen
Der Beta-ZerfallDer Beta-Zerfall- Man unterscheidet 2 Arten: - Man unterscheidet 2 Arten:
1.1. n + νe → p + e- (β-)
2. 2. p + e- → n + νe (β+)
- Fall 1 im Feynman-Diagramm dargestellt:Fall 1 im Feynman-Diagramm dargestellt:
=> Es werden ein W=> Es werden ein W++ und ein W und ein W-- benötigt benötigt
-Ruheenergie der Bosonen ~100GeV-Ruheenergie der Bosonen ~100GeV
1515
Das Z-BosonDas Z-Boson
- Die elektroschwache Theorie sagte ein zusätzliches ungeladenes Die elektroschwache Theorie sagte ein zusätzliches ungeladenes Austauschteilchen voraus, das ZAustauschteilchen voraus, das Z0 0
=> Es muss einen Austausch neutraler Ströme geben,=> Es muss einen Austausch neutraler Ströme geben, z.B. in Form von Streuung von einem Elektron an einemz.B. in Form von Streuung von einem Elektron an einem Elektron-Antineutrino:Elektron-Antineutrino:
- Vorhersage neutraler Ströme blieb lange Zeit unbeachtetVorhersage neutraler Ströme blieb lange Zeit unbeachtet- 1973 gelang der Nachweis neutraler Ströme am CERN1973 gelang der Nachweis neutraler Ströme am CERN=> Die elektroschwache Theorie wurde akzeptiert und man fing an nach den=> Die elektroschwache Theorie wurde akzeptiert und man fing an nach den vorhergesagten Austauschteilchen zu suchenvorhergesagten Austauschteilchen zu suchen
1616
Experimenteller NachweisExperimenteller Nachweis
- Energie beim β –Zerfall liegt bei wenigen MeV, was im Vergleich zu den - Energie beim β –Zerfall liegt bei wenigen MeV, was im Vergleich zu den 100GeV Ruheenergie der W-Bosonen sehr wenig ist100GeV Ruheenergie der W-Bosonen sehr wenig ist
=> Bosonen kommen nur als virtuelle Teilchen vor=> Bosonen kommen nur als virtuelle Teilchen vor
=> Einzige Möglichkeit die Vektorbosonen zu messen ist sie real zu erzeugen=> Einzige Möglichkeit die Vektorbosonen zu messen ist sie real zu erzeugen
=> Energie zur Erzeugung kann nur durch einen Stoß hochenergetischer => Energie zur Erzeugung kann nur durch einen Stoß hochenergetischer
Teilchen aufgebracht werden, wobei das Z-Boson 100 GeV und die Teilchen aufgebracht werden, wobei das Z-Boson 100 GeV und die
W-Bosonen aufgrund der Ladungserhaltung 200 GeV benötigen werdenW-Bosonen aufgrund der Ladungserhaltung 200 GeV benötigen werden
- Einfachste Möglichkeit wäre ein Elektron-Positron-Collider gewesen, der - Einfachste Möglichkeit wäre ein Elektron-Positron-Collider gewesen, der damals aber noch nicht zur Verfügung stand damals aber noch nicht zur Verfügung stand
1717
Experimenteller NachweisExperimenteller Nachweis
- Idee von Rubbia: Proton-Antiproton-Stöße müssten W-Bosonen erzeugen- Idee von Rubbia: Proton-Antiproton-Stöße müssten W-Bosonen erzeugen
=> => Problem:Problem: Wie erzeugt man ‘kalten‘ Antiprotonenstrahl? Wie erzeugt man ‘kalten‘ Antiprotonenstrahl?
- Grundideen: - Kühlen bedeutet Energiebreite und Emittanz zu verkleinern- Grundideen: - Kühlen bedeutet Energiebreite und Emittanz zu verkleinern
- Theorem von Liouville: Emittanz = const- Theorem von Liouville: Emittanz = const
~> Emittanz kann nur durch WW mit einem äußeren Medium~> Emittanz kann nur durch WW mit einem äußeren Medium
verändert werden (z.B. Elektronen- oder Laserkühlung)verändert werden (z.B. Elektronen- oder Laserkühlung)
- Lösung des Problems durch van der Meers „stochastische Kühlung“:- Lösung des Problems durch van der Meers „stochastische Kühlung“:
1818
Experimenteller NachweisExperimenteller Nachweis
1. Plattenpaar misst Position 1. Plattenpaar misst Position
des Teilchenstrahlsdes Teilchenstrahls
2. Bei Abweichung: Signal an2. Bei Abweichung: Signal an
KickerKicker
1919
Experimenteller NachweisExperimenteller Nachweis
1. Plattenpaar misst Position 1. Plattenpaar misst Position
des Teilchenstrahlsdes Teilchenstrahls
2. Bei Abweichung: Signal an2. Bei Abweichung: Signal an
KickerKicker
3. Teilchen werden am Kicker auf 3. Teilchen werden am Kicker auf richtige Bahn gebracht,richtige Bahn gebracht,
ABER: Die T. auf der richtigen ABER: Die T. auf der richtigen Bahn werden falsch abgelenktBahn werden falsch abgelenkt
2020
Experimenteller NachweisExperimenteller Nachweis
1. Plattenpaar misst Position 1. Plattenpaar misst Position des Teilchenstrahlsdes Teilchenstrahls2. Bei Abweichung: Signal an2. Bei Abweichung: Signal an KickerKicker3. Teilchen werden am Kicker auf 3. Teilchen werden am Kicker auf
richtige Bahn gebracht,richtige Bahn gebracht, ABER: Die T. auf der richtigen ABER: Die T. auf der richtigen
Bahn werden falsch abgelenktBahn werden falsch abgelenkt4. Kein Problem: Nach der mittleren 4. Kein Problem: Nach der mittleren
Zeit τ ~ N/B besitzt der Strahl nur Zeit τ ~ N/B besitzt der Strahl nur noch eine Impulsunschärfe vonnoch eine Impulsunschärfe von
Δp/p ≈ 10Δp/p ≈ 10--³³
=> Antiprotonen können über => Antiprotonen können über Stunden gespeichert werdenStunden gespeichert werden
2121
Experimenteller NachweisExperimenteller Nachweis
- 1983 gelang zwei Gruppen, darunter Rubbias, die Erzeugung, der Nachweis - 1983 gelang zwei Gruppen, darunter Rubbias, die Erzeugung, der Nachweis und die Massenbestimmung eines W-Bosons über den Zerfall: und die Massenbestimmung eines W-Bosons über den Zerfall:
WW++ → e → e++ + ν + νee
- Messung erfolgte über zylindrische Detektoren um den Kollisionspunkt, - Messung erfolgte über zylindrische Detektoren um den Kollisionspunkt, über die Impuls, Energie und Ladung der Zerfallsteilchen bestimmbar warenüber die Impuls, Energie und Ladung der Zerfallsteilchen bestimmbar waren
- Die Bestimmung der Masse gelang dadurch, dass beim obigen Zerfall das - Die Bestimmung der Masse gelang dadurch, dass beim obigen Zerfall das Neutrino dem Detektor entgingNeutrino dem Detektor entging
=> Maximal möglicher Transversalimpuls des Positrons: 1/2 M=> Maximal möglicher Transversalimpuls des Positrons: 1/2 MWW c c
=> Energie des W-Bosons: M=> Energie des W-Bosons: MWW c² = (80,22 +- 0,26) GeV c² = (80,22 +- 0,26) GeV
2222
Experimenteller NachweisExperimenteller Nachweis
- Nachweis des Z-Bosons ebenfalls 1983- Nachweis des Z-Bosons ebenfalls 1983
- Genauere Messung ab 1989 mit Inbetriebnahme des LEP (Large - Genauere Messung ab 1989 mit Inbetriebnahme des LEP (Large Electron-Positron Ring) möglich, aufgrund der höheren Energie Electron-Positron Ring) möglich, aufgrund der höheren Energie von 110 GeV über die Zerfallsart:von 110 GeV über die Zerfallsart:
ee++ + e + e-- → Z → Z00 → e → e++ + e + e--
- Die Messungen ergaben für die Masse:- Die Messungen ergaben für die Masse:
MMZZc² = (91,173 +- 0,02) GeV c² = (91,173 +- 0,02) GeV
2323
ZusammenfassungZusammenfassung
- Vektorbosonen sind die Austauschteilchen der schwachen WWVektorbosonen sind die Austauschteilchen der schwachen WW
- Die elektroschwache Theorie von Salam, Weinberg und Glashow Die elektroschwache Theorie von Salam, Weinberg und Glashow sagte zwei geladene W-Bosonen, das Wsagte zwei geladene W-Bosonen, das W++ und das W und das W--, und ein , und ein ungeladenes Z-Boson vorausungeladenes Z-Boson voraus
- Alle Vektorbosonen wurden experimentell nachgewiesenAlle Vektorbosonen wurden experimentell nachgewiesen
- Beeindruckende Bestätigung der Theorie Beeindruckende Bestätigung der Theorie
2424
QuellenangabeQuellenangabe
http://www.physik.uni-bielefeld.de/~shoshi/prosem_08/v12.pdf http://public.web.cern.ch/public/
http://adweb.desy.de/~rossbach/uni/Beschleunigerphysik1c.pdfhttp://adweb.desy.de/~rossbach/uni/Beschleunigerphysik1c.pdf