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Entdeckung des τ-Leptons(„Das Dritte“)
Referat von Stephan Goerttler, Datum: 12.12.2014
Seminar „Schlüsselexperimente der Teilchenphysik“
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Inhalt● I. Theoretische Grundlagen des τ-Lepton
Zerfalls● II. Das Schlüsselexperiment 1975● III. Nachfolgende Experimente● IV. Situation heute
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Standardmodell der Teilchenphysik 1975
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Standardmodell der Teilchenphysik 1975
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Myonzerfall
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Myonzerfall
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Myonzerfall bei e+e--Annihilation
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Myonenzerfall
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Möglicher Zerfall eines schweren Leptons
→ durch Analogie begründet
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Möglicher Zerfall eines schweren Leptons
→ durch Analogie begründet
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τ-Zerfall bei e+e--Annihilation
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τ-Zerfall bei e+e--Annihilation
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τ-Zerfall bei e+e--Annihilation
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τ-Zerfall bei e+e--Annihilation
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τ-Zerfall bei e+e--Annihilation
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τ-Zerfall bei e+e--Annihilation
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ee-Produktion bei e+e--Annihilation
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ee-Produktion bei e+e--Annihilation
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ee-Produktion bei e+e--Annihilation
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eμ-Produktion bei e+e--Annihilation
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Schlüsselexperiment 1975: Mark I Detector
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Schlüsselexperiment 1975: Mark I Detector
● Ursprünglicher Mark I Detektor
● „Erster 4π Detektor“● Beschleuniger SLAC● e+e- -Speicherring
SPEAR● Max Energie bei
Beginn (1973): 4,8 GeV
● Durchgeführt durch Martin Lewis Perl
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Schlüsselexperiment 1975: Mark I Detector
● Wire Chambers in B: Krümmung der Bahnen → Impulse
● Trigger Counters: Flugzeitmessung → Geschwindigkeit
● Shower Counters: Energiebestimmung der Elektronen, Myonen, Hadronen (,Photonen)
● Muon Wire Chambers: Detektiert Myonen
● Iron (20cm): Absorption der Nicht-Myonen
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Schlüsselexperiment 1975: Mark I Detector
Bedingungen zur Detektion
● Elektronen: Signal in Shower Counter größer als Signal eines 0,5GeV-Elektron → kein Signal in MyonWC
● Myonen: 1. Signal in MyonWC 2. Kleines Signal im Shower Counter
● Hadronen: Alle anderen geladenen Teilchen
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Ergebnisse des Experiments (1)
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Ergebnisse des Experiments (2)
● eμ-Hintergrund: (4,7±1,2) Ereignisse
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Ergebnisse des Experiments (2)
● eμ-Hintergrund: (4,7±1,2) Ereignisse
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Koplanaritätswinkel θ
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Koplanaritätswinkel θ
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Ergebnisse des Experiments (3)
● Insgesamt 86 eμ Ereignisse, 22 Hintergrundereignisse → 64 Ereignisse
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Ergebnisse des Experiments (4)● Signifikante e-μ-
Ereignisse● Quadrat der
invarianten Masse aufgetragen gegen das Quadrat der fehlenden Masse→ aus Diagramm kann geschlossen werden, dass mind. 2 Teilchen unentdeckt bleiben
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Minv
2 und Mmiss
2 bei einem unentdeckten Teilchen
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Minv
2 und Mmiss
2 bei zwei unentdeckten Teilchen
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Minv
2 und Mmiss
2 bei zwei unentdeckten Teilchen
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Ergebnisse des Experiments (4)● Signifikante e-μ-
Ereignisse● Quadrat der
invarianten Masse aufgetragen gegen das Quadrat der fehlenden Masse→ aus Diagramm kann geschlossen werden, dass mind. 2 Teilchen unentdeckt bleiben
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Ergebnisse des Experiments (5)
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Zusammenfassung der Ergebnisse
● Signifikante eμ-Anomalie bei e+e--Annihilation bei 4,8GeV
● Mögliche ee- und μμ-Anomalie wird noch weiter untersucht
● Mind. 2 Neutrinos unentdeckt● Hohe Missidentifikation der Teilchen● Dennoch:
→ Ergebnisse können dadurch erklärt werden, dass ein schweres Lepton mit m=1,6-2,0GeV/c2 erzeugt wird und zerfällt
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Nach dem Experiment: Einwände● Sowohl Charm-Quark (Entdeckung 1974) als
auch τ-Lepton im selben Energie-Bereich gefunden
● Keine (theoretische) Notwendigkeit eines dritten geladenen Leptons
● Keine Hinweise auf eine dritte Teilchengeneration
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Nach dem Experiment: weitere Ziele
● 1. Gefundene eμ-Anomalie bestätigen● 2. Myonen besser detektieren: „Muon-Tower“● 3. Weitere Zerfallskanäle beobachten
(Hadronenzerfälle)
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1. eμ-Anomalie● 1976: weiteres Experiment am SPEAR bestätigt
Anomalie (Cavalli-Sforza et al.)● 1977: weitere Messungen mit dem Mark I
Detektor (mit Muon-Tower) bestätigen Anomalie (Feldman et al.)
● 1977: Messungen am DORIS e+e--Speicherring der PLUTO-Kollaboration bestätigen Anomalie (Burmester et al.)
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2. „Muon-Tower“ (1)
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2. „Muon-Tower“ (1)
● Muon-Tower nur an einer Seite → eingeschränkte Statistik
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„Muon-Tower“ (2)
● „In summary, we have observed a large rate of anomalous muon production in two-prong events consistent with what is expected from heavy-lepton decays.“ (Feldman et al., 1977)
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3. Untersuchung derHadronenzerfälle (1)
● Vage theoretische Analyse liefert für die Verzweigungsverhältnisse (branching fractions):
● (Die Ähnlichkeit des Zerfalls in Elektron oder Myon beruht auf der Leptonen-Universalität)
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Mögliche Hadronenzerfälle
Man beobachtet Zerfälle der Form:e+e- → Hadronen(neg/pos) + + e± + Neutrinos
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Beispiel: Zerfall in e+ und π-
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Beispiel: Zerfall in e- und π+
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Untersuchung der Hadronenzerfälle (2)
● Elektron/Positron muss genau bestimmt werden● Notwendig: verbesserte elektronische
Identifikation in den Detektoren● Photonen müssen genauer bestimmt werden,
da einige Teilchen (bspw. das π0) in Photonen zerfallen
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Review 1977 (Perl)● 1. Alle Messwerte der anomalen eμ, ex, ee und
μμ Ereignisse (produziert in ee-Annihilation) stimmt mit der Existenz eines geladenen Leptons (τ) der Masse 1,9±0,1 GeV/c² überein
● 2. Messwerte können nicht durch Zerfälle des Charm-Quarks erklärt werden
● 3. Viele erwartete Zerfälle wurden bereits gesehen. Noch nicht beobachtet: τ- → ν
τ + π-
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Zerfall des τ-Leptons in Neutrino und π- (1)
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Zerfall des τ-Leptons in Neutrino und Pion (2)
● τ- → ντ + π-
● Schwer zu unterscheiden vom Zerfallτ- → ν
τ + π- + π0
● Bessere Photonendetektion ermöglicht eine Unterscheidung→ Verbesserung des Detektors Mark I und Bau neuer Teilchendetektoren wie Mark II
● Bessere Elektronvermessung: DELCO- Detektor am SPEAR (Direct Electron Production Measurement) (1977)
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Mark I mit Bleiglas-Wänden
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Mark I mit Bleiglas-Wänden● Bleiglas ermöglicht
bessere Photonendetektion
● Bleiglas ersetzt 3 Shower Counters
● π0 zerfällt in 2 Photonen und kann identifiziert werden
● Detektion aller Photonen notwendig → 4π Detektor
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Messungen mit dem Mark I Detektor● 1977: Messungen mit dem verbesserten Mark I
Detektor (Barbaro-Galtieri et al.)● Gemessene Verzweigungsverhältnisse:
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Mark II Detektor am SLAC
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DELCO-Detektor am SPEAR
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DELCO-Detektor am SPEAR
● Große Tscherenkow-Kammer → genaue Unterscheidung von Elektron und Pion möglich
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Ergebnis DELCO-Kollaboration 1977
→ „A comparison of the events having only two visible prongs (of which only one is an electron) with the heavy lepton hypothesis shows no disagreement.“ (Kirkby)
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Zerfall des τ-Leptons in Neutrino und Pion (3)
● Bis 1978 wurde der Zerfall bei Experimenten an verschiedenen Detektoren beobachtet:-PLUTO Detektor (am DESY)-DELCO Detektor (am SLAC)-Mark I Bleiglas-Wand Detektor (am SLAC)-Mark II Detektor (am SLAC)
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Vergleich der gemessenen Verzweigungsverhältnisse
B(τ- → ντ + π-)
● Heute: B=(10,83±0,06)%
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Beobachtung und Messung des Zerfalls des Leptons in Neutrino und
zwei Pionen
● Gemessen wurde erneut das Verzweigungsverhältnis:B(τ- → ν
τ + π- + π0)
● DASP Kollaboration am DORIS: B=(24±9)%● Mark II Kollaboration: B=(20,5±4,1)%● Heute: B=(25,52±0,09)%
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Weitere Entwicklung
● 1979: „Alle bestätigten Messungen im Einklang mit der Hypothese, dass das τ ein Lepton ist, produziert durch eine bekannte elektro-magnetische Interaktion und dass es durch schwache Wechselwirkung zerfällt“ (Perl)→ τ-Lepton ist „verifiziert“
● 1995: Nobelpreis
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τ-Lepton: Heutige Werte
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τ-Lepton: Zerfalls-moden
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τ-Lepton: Zerfalls-moden
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Vierte Generation?● Gilt als experimentell widerlegt (5.3 σ)● Entdeckung des Higgs-Bosons bei 125GeV/c²
schließt diese aus→ Wechselwirkung mit vierter Generation hätte Auswirkungen auf die Masse
● Messungen der Breiten des Z-Bosons an CERN's Large Electron-Positron Collider→ „Leichte“ Neutrinos mit m<45GeV/c² ausgeschlossen
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Quellen (Literatur):
● Perl, M. L., 1975a, Proceedings of the Canadian Institute of Particle Physics, Summer School, edited by R. Heinzi and B. Margolis (McGill University, Montreal, 1975).
● Perl, M. L., et al., 1975b, Phys. Rev. Lett. 35, 1489.● www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1995/p
erl-facts.html● Feldman, G. J., et al., 1977, Phys. Rev. I.ett. 38, 117● Kirkby et al, 1977, Direct Electron Production
Measurements by DELCO at SPEAR● http://en.wikipedia.org/wiki/Generation_(particle_physics)
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Quellen (Bilder):● de.wikipedia.org/wiki/Standardmodell● www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laure
ates/1995/perl-facts.html● www.catchwordbranding.com/static/uploads/20
08/08/slac-aerial-view_hr.jpg● SLAC-PUB-4558LBL-26671 March 1989 (I/E) ● http://pdg.lbl.gov/2014/tables/rpp2014-sum-
leptons.pdf
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Danke für die Aufmerksamkeit!