Teilchenphysik: Stand und Perspektiven

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Teilchenphysik: Stand und Perspektiven. http://wulz.home.cern.ch/wulz/Vorlesung/ Perspektiven5_juni2010 .pdf. 142.095 Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften c/o CERN/PH, CH-1211 Genf 23 - PowerPoint PPT Presentation

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Teilchenphysik: Stand und Perspektiven 142.095

Claudia-Elisabeth Wulz

Institut fr Hochenergiephysik dersterreichischen Akademie der Wissenschaftenc/o CERN/PH, CH-1211 Genf 23

Tel. 0041 22 767 6592, GSM: 0041 76 487 0919E-mail: Claudia.Wulz@cern.chhttp: //home.cern.ch/~wulz

TU Wien, 8. Juni 2010http://wulz.home.cern.ch/wulz/Vorlesung/Perspektiven5_juni2010.pdfTeil 50D.P. Roy: Eighty Years of Neutrino Physics, http://arxiv.org/abs/0809.1767

W.C. Haxton, B.R. Holstein: Neutrino Physics,http://arxiv.org/abs/hep-ph/9905257

W.C. Haxton, B.R. Holstein: Neutrino Physics: an Update,http://arxiv.org/abs/hep-ph/0306282

T. Morii, C.S. Lim, S.N. Mukherjee: The Physics of the Standard Model and Beyond, World Scientific Publishing Co. (2004)

A. Geiser: Neutrino physics with accelerators and beyond,Rep. Prog. Phys. 63 (2000) 1779-1849

Literatur ber Neutrinos11Das Standardmodell funktioniert erstaunlich gut, bis zu O(100 GeV). Einige Gren sind bis mit 0.1% Genauigkeit besttigt!

Trotzdem:Neutrinomassen sind im klassischen Standardmodell nicht enthalten.Es gibt das Hierarchieproblem (Stabilitt der Higgsmasse).Es gibt keine Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten bei sehr hohen Energien. Die Gravitation ist berhaupt nicht bercksichtigt.Es gibt keine Erklrung fr dunkle Materie oder dunkle Energie.Wir wissen nicht, was unmittelbar nach dem Urknall geschah.

Deshalb:Teilchenphysiker, Astrophysiker und Kosmologen mssen zusammenarbeiten, um die richtigen Erweiterungen des Standardmodells zu finden. Es gibt ausgezeichnete Werkzeuge wie Beschleuniger, Raumsonden, terrestrische Teleskope, unterirdische Laboratorien und sogar Kernreaktoren. Przisionsexperimente bei sehr tiefen Energien knnten ebenfalls beitragen.

Probleme des Standardmodells221930: Pauli postuliert Neutrino (Energieerhaltung in b-Zerfllen)1934: Fermi-Theorie der b-Zerflle 1956: Parittsverletzung der schwachen WW (Lee, Yang, exp. Wu 1957)K+ (+) -> + + 0 (P = +1), K+ (+) -> + + + + - (P = -1) V-A Theorie: nur linkshndige Neutrinos wechselwirken Entdeckung des Neutrinos durch Cowan and Reines (Reaktor) Inverser -Zerfall e + p+ -> n + e+; Nachweis des e+ 1957: Pontecorvo postuliert Neutrino-Oszillationen1962: Entdeckung eines 2. Neutrino-Flavors : nm ne (Lederman, Schwartz, Steinberger) ( + p+ -> + + n; + p+ -> e+ + n)1990: 3 Familien von leichten Neutrinos aus Zerfallsbreite des Z0 (LEP)1994-1998: Neutrino-Oszillationen: Neutrinos haben Masse!2000: 3. Neutrino-Flavor (nt) wird besttigt (DONUT-Fermilab)___Neutrinos geschichtlicher berblick33Morii S. 8Energiespektrum von b-Zerfallselektronen4? p Impulse der Zerfallsprodukte im Ruhesystem (im MeV-Bereich) kinetische Energie des Tochterkerns N, EN + + 0 (P = +1) K+ (+) -> + + + + - (P = -1)K+ (+) -> + + 0 + 0 (P = -1) und schienen aufgrund von identischen Massen, Spins und Ladungen dasselbe Teilchen zu sein.Lee und Yang postulierten, dass sie tatschlich dasselbe Teilchen sind, dass aber die Paritt im Fall des -Zerfalls nicht erhalten ist (die Paritt des Pions und des Kaons ist -1 -> pseudoskalares Teilchen).

10For a while Yang had tried experimental physics, but it was not to be. Other graduate students had teased him, "Where there was a bang, there was Yang.Pion is a pseudoscalar particle (P=-1). In the 1954 paper Absorption of Negative Pions in Deuterium: Parity of the Pion, William Chinowsky and Jack Steinberger demonstrated that the pion has negative parity. They studied pion capture by deuterium nucleus in a state with zero orbital angular momentum L=0 into two neutrons nNeutrons are fermions and so obey Fermi statistics, which implies that the final state is antisymmetric. Using the fact that the deuteron has spin one and the pion spin zero together with the antisymmetry of the final state they concluded that the two neutrons must have orbital angular momentum L=1. The total parity is the product of the intrinsic parities of the particles and the extrinsic parity of the spherical harmonic function(-1)L. Since the orbital momentum changes from zero to one in this process, if the process is to conserve the total parity then the products of the intrinsic parities of the initial and final particles must have opposite sign. A deuteron nucleus is made from a proton and a neutron, and so using the forementioned convention that protons and neutrons have intrinsic parities equal to +1 they argued that the parity of the pion is equal to minus the product of the parities of the two neutrons divided by that of the proton and neutron in deuterium, (-1)(1)2/(1)2, which is equal to minus one. Thus they concluded that the pion is a pseudoscalar particle. Other explanation: http://quantummechanics.ucsd.edu/ph130a/130_notes/node323.htmlC. S. Wus Experiment (1957)11

Annahme: Spin der Co-Kerne in z-Richtung; die meisten b-Elektronen werden in Gegenrichtung zum Spin emittiert -> linkshndige Elektronen.Gespiegeltes Szenario: Kernspin bleibt in z-Richtung, Elektronen mten vornehmlich in Spinrichtung emittiert werden. Dies wurde aber von Wu et al. nicht gefunden!Wenn die Paritt erhalten wre, wrden genau so viele Elektronen in Kernspinrichtung wie in der Gegenrichtung emittiert werden. Nur linkshndige Teilchen nehmen an der schwachen Wechselwirkung teil. Die Paritt ist maximal verletzt!

11Wollte mit hubby mit QEII nach Europa und Fernost fahren, es ergab sich aber die Gelegenheit zu ihrem Experiment am National Bureau of Standards. Hubby fuhr alleine T = 0,01 K. Einige Elektronen werden trotzdem in Spinrichtung emittiert, da es schwierig ist, alle Kerne auszurichten2. Neutrinoflavor (nm )12Brookhaven 1962: L. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger. 1988

Pontecorvo: Warum annihilieren Neutrino und Antineutrino nicht in Photonen?

Lsung: 2 verschiedene Flavors, Erhaltung der Leptonenzahl

Wenn das Antineutrino des Pionzerfalls sich vom Antineutrino des b-Zerfalls unterscheiden soll, drften keine Elektronen in inversen b-Zerfllen mit Antineutrinos aus dem Pionzerfall produziert werden:

12nue_numu.pdfPontecorvo arbeitete schon in der Sovietunion und hatte keinen Beschleuniger zur Verfgung, um seine Idee testen.Alternating Gyro Synchrotron: 15 GeV

3. Neutrinoflavor (nt )13Fermilab 2000: Fixed Target Experiment DONUT (Direct Observation of nt)

Indirekter Nachweis durch ts, die geladenen Leptonpartner des nt :

Lebensdauer des t : 291 fs. Aus 104 nachgewiesenen Neutrinos waren nur 4 nt.

Suche nach kinked tracks. t-Spur ca. 1mm lang.13nt Ereignis bei DONUT14

14Erinnerung: Helizitt15svvs: h = +1 (rechtshndig) h = - 1 (linkshndig)v ||sHelizitt (h) entspricht dem Vorzeichen der Projektion des Spins auf die Bewegungsrichtung. Sie ist jedoch nicht lorentzinvariant. Dies wird ersichtlich, wenn das Inertialsystem im rechtshndigen Fall sich mit einer hheren Geschwindigkeit als fortbewegt: h wechselt von +1 auf -1.

Fr ein masseloses Teilchen gibt es jedoch kein Inertialsystem, das sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann, deshalb ist fr solche Teilchen h lorentzinvariant. Fr masselose Teilchen ist die Helizitt dasselbe wie die Chiralitt.Isospin: name goes back to Heisenberg15Linkshndige Neutrinos, rechtshndige Antineutrinos16ssExperimentell durch Goldhaber et al. 1958 indirekt entdeckt:

Neutrinos sind linkshndig.Antineutrinos sind rechtshndig.

Pionzerfall: +

:Spin 0 Spin von und mssen entgegengesetzt sein.Wenn rechtshndig ist, mu auch rechtshndig sein! Genau dies wurde gefunden. + : analog wurden nur linkshndige gefunden.

16Griffiths S. 124Weyl-Spinoren17Massebehaftete Fermionen werden durch 4-komponentige Dirac-Spinoren beschrieben :

h, x 2-komponentige komplexe Weyl-Spinorenh = hR rechts-chiral, x = xL links-chiral

Projektionsoperatoren projizieren rechts- bzw. linkschirale Zustnde heraus:

YR, YL chirale Partner, die den vollen 4-komponentigen Dirac-Spinor bilden:

17Mori p. 106, 150SUSY demystified p. 43Erinnerung: Dirac- und Paulimatrizen18Diracmatrizen g (4 x 4)Paulimatrizen s (2 x 2)Last page of GriffithsCovariant and contravariant 4-vectors: x mu (subscript) = g mu nu x mu...... g mu nu metric tensor18Van-der-Waerden - Notation19Konvention: Index unten fr rechts-chirale, oben fr links-chirale Spinoren.

Definition: Komponenten von , Komponenten vonPunktierter Index: Komplexkonjugierung der Gre.Man schreibt einen Querstrich ber Weyl-Spinoren mit punktierten Indizes (Achtung: dies ist nicht die adjungierte Darstellung , die nur fr 4-komponentige Spinoren gilt!), zur Unterscheidung, falls Indices weggelassen werden. Mit dieser Konvention msste der Dirac-Spinor so geschrieben werden:

Ladungskonjugation: Teilchenspinor -> Antiteilchenspinor

Ladungskonjugationsmatrix C:

19Mori p. 106, 150SUSY demystified p. 43Es gibt verschiedene Konventionen fr die Indizierung und die Variablen Ladungskonjugation fr Weyl-Fermionen20Ladungskonjugation fr Weyl-Fermionen bewirkt Wechsel der Chiralitten:

Erinnerung Matrizenrechnung: (AB)T = BTAT Diracmatrizen: Antikommutatorregel {g5, gm}=0; g5g5=g0g0=1; PL+ = PLT = PL

In der 2-Komponenten-Schreibweise fr Weyl-Fermionen:

20Mori p. 106, 150; App. A p. 250 und App. D p. 277SUSY demystified p. 43Es gibt verschiedene Konventionen fr die Indizierung und die Variablen Weyl-Fermionen: masselos. Im Fall von masselosen Teilchen mischen rechts-und linkshndige Zustnde nicht.Majorana-Spinoren21Folgende 4-komponentige Spinoren (Majorana-Spinoren) mit je zwei unabhngigen, komplexen Freiheitsgraden knnen gebildet werd