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Die Entwicklung der Teilchenphysik: 

11/30/2009 Teilchenphysik: Geschichte 1

Entdeckung des Elektrons, Thompson 1897 

1906: Nobelpreis für die 

Untersuchung der elektrischen 

Leitung in Gasen 

1838: Faraday: Gasentladung 

1857: Geißler verbessert Gasentladungsröhren 

1859 Plücker: Beobachtet Kathodenstrahlung 

1860-1900: Lenard, Crookes, Wiechert etc. 

1897: Thompson verbessert Technik: 

Elektrometer ind Floureszenzschicht 

→ Ladung verbunden mit Kath.Strahlung 

Besseres Vakuum: Strahlen im E-Feld 

abgekenkt → geladene Teilchen 

m/e durch Kombination von B- und E-Feld 

→ Elektronen sind sehr leicht 

→ Elektronen Bestandteile der Atome ? 


Entdeckung des Protons und des Neutrons 

1819 Rutherford: Beschuss von Goldfolie mit 

α-Strahlung 

Streuung seltener und mit größerem Ablenk- 

winkel als erwartet 

Atommase konzentriert in Kern 

Kern des Wasserstoffatoms: Proton 

1932 Chadwick: Beschuss von Beryllium mit 

α-Strahlung 

Streuung der erzeugten neutralen Teilchen 

an Wasserstoff 

Energiemessung der gestreuten Protonen mi 

Gasdetektor 

Massenmessiung: m ≈m p 

Frage: warum haben Protonen und Neutronen 

die gleiche Masse ? 


Die Neutrino-Hypothese 

Vor 1930:β -Zerfall nicht verstanden: 

Kontinuierliches Spektrumd der Elektronen 

mit einem Zwei-Koerperzerfall nicht zu 

erklaeren 

4.Dez 1930: Pauli postuliert neues 

unsichtbares femion 

(“Neutron” → Fermi: “Neutrino”) 

1934: Fermi: Theorie des Beta-Zerfalls 

punktförmige Kopplung von 4 Fermionen 

1956 direkter Nachweis (Reines, Cowan): 

inverser β -zerfall mit Reaktor-Antineutrinos 

11/30/2009 Teilchenphysik: Geschichte 4 

p 

n 

ν 

e

Röntgenstrahlen, Uran-Strahlen und kosmische Strahlen 

1895: Röntgen: Röntgtenstrahlung entdeckt 

1896: Bequerel: Uranstrahlung (Photoplatten) 

1897ff; Marie Curie: Systematische Studie der 

Herkunft und der Natur der Radioaktivität: 

Curie-Elektrometer 

Physiker begannen überall nach radioaktiver 

Strahlung zu suchen – aber wie sehr sie sich auch 

abschirmten: irgendwelche Strahlung kam durch...... 


Kosmische Strahlen: Wulff und der Eiffelturm 

Jesuitenpriester Wulff: Faden-Elektrometer um 

kosmische Strahlung zu messen 

Theorie: Strahlung von natürlichen Quellen am 

Boden → Intensität müßte mit der Höhe abnehmen 

→ Messung auf dem Eiffelturm: Kosmische 

Strahlung nimmt zu ! 

→ Ist die Luft der Ursprung der Strahlung? 

Extraterrestrischer Ursprung der Stahlung? 

1911,1912: erste Ballonflüge von Gockel und 

Bergwitz, bis 2800 m Höhe: 

Strahlung nimmt nicht ab mit der Höhe 

Große Unsicherheiten 


Kosmische Strahlen: Victor Hess Ballonflug 

1911-1912: Viktor Hess: 10 Aufstiege 

mit dem Ballon , bis über 5000 m 

Historischer Flug 7.8.1912: 

Start mit Haffary und Wolf 

8:30 3000m 

9:15 4000m → Sauerstoffmasken 

11:00 >5300m Höhensymptome 

12:15 Landung 

Intensität der Strahlung nimmt mit der 

Höhe zu ! (5300m: 3-5x größer als in 

Seehöhe) → “ Kosmische Strahlung” 

1936 Nobelpreis für die Entdeckung der 

kosmischen Strahlung: 

1938: emigrierte in die USA 


Technischer Fortschritt: Geigerzähler, Nebelkammer, Koinzidenzzähler 

1911: Wilson: Nebelkammer: 

Kasten mit übersättigtem Dampf 

Expansion: Dampf kondensiert, 

vorzugsweise an Ionen die durch 

ionisierende Strahlung gebildet 

wurden 

1908: H. Geiger (für Rutherford) Geigerzähler: 

Drahtkammer mit Kaskadeneffekt 

1928: mit W. Muelle perfektioniert 

1924ff.: Bothe und Kohlhörster: 

Koinzidenzmethode 

Koinzidente Aktivierung von Geiger- 

zählern: Kosmische Strahlen aus 

geladenenen Teilchen 

1930: Bruno Rossi: Elektronische 

Röhrnenschaltung um Koinzidenzen 

zu detektieren: 

bestätigt Bothe und Kolhörster 

EM-Schauer: Dreifachkoinzidenz 


Entdeckung des Positrons 

1928: Dirac: relativistische QM 

-> Vorhersage von Antimaterie 

1930-32, Millikan und Anderson 

Nebelkammer mit 2.5 T Magneten 

mi labor und auf PikesPeak (4300m) 

-> positive and negative elektronartige 

Spuren: → Protonen? 

→ Aufwärts-Elektronen? 

Blei-Absorber in der Mitte der 

Nebelkammer: -> positive Elektronen 

1936: Nobelpreis fürdie 

Entdeckung des Positrons 


Die Entdeckung des Myons 

In den 30er Jahren wurde die ganze Welt mit 4 

Teilchen erklärt: Proton, Neutron, Elektron, Neutrino 

1934: Hideki Yukawa beschreibt Kernkraft durch 

quantisiertes Feld. Reichweite: fm -> Masse des 

Feldquants ca. 150 MeV. 

1936: Anderson und Neddermeyer (Nebelkammer) 

entdecken in der kosmischen Strahlung negativ 

geladene Teilchen mit weniger starker Krümmung 

im Magnetfeld ca 200 me 

Name: “Mesotron” -> “� -Meson” -> “Myon” 

Eine Weile hielt man es für Yukawas Quant aber 

Eigenschaften passten nicht. Später: zweite 

Lepton-Generation 

Stellen Elektronen, Positronen und Myonen die 

primäre Kosmische Strahlung dar oder sind sie nur 

Sekundärprodukte ? 

Existiert Yukawas Austauschteilchen ? 


Photoemulsionen und die Entdeckung des Pions 

1932-37: Marietta Blau und Herta Wambacher: 

entwickeln photographische Platten -> hochenergetische 

Primärstrahlung in grosser Höhe (Protonen, schwere Kerne) 

1944: Powell und Occhialini verfeinern die Technologie der 

Photoemulsionen: Höhere Dichte von Silberbromid 

1947: Powell, Occhialini und Lattes: Stapel aus Photo- 

Platten auf Pic du Midi ausgesetzt, mit Mikroskop 

analysiert: neues Teilchen: Pion: passt zu Hidekis Theorie 

Später: Quark-Antiquark-System: Mesonen 

1949: Hideki Yukawa: Nobelpreis für die Vorhersage 

des Mesons 

1950: Powell: Nobelpreis für die Entdeckung des Pions 

Observatorium, Pic du Midi (2850m) 

Hideki Yukawa 

Giuseppe 

Occhialini 

Marietta Blau 


Die Entdeckung der seltsamen Teilchen 

1947: Hauptprobleme gelöst. Teilchenphysik beendet ? 

Dezember 1947: Butler and Rochester (Manchester): 

Nebelkammeraufnahme eines “V-Teilchens”: Kaon 

K 0 -> � + � - (Bestätigt 1949 auf dem Pic du Midi) 

1950: Anderson (CalTech): Lambda: � 0 ->p + +� - 

Werden schnell produziert aber zerfallen langsam 

-> Neue Quantenzahl S: “Seltsamkeit” , “strangeness” 

Produktion: starke Wechsellwirkung, S erhalten 

Zerfall: schwache Wechselwirkung, S nicht erhalten 

Später: enthält s-Quark (“strange-quark”) 

Baryonen: drei quarks, � 0 = (uds), p=(uud), n=(udd) 

Mesonen: Quark+Antiquark K 0 = (ds), � ± = (ud) 

Massenrekonstruktion: 

m A 2 = (Eb +E C ) 2 -(p B +p C ) 2 

= m B 2 +mC 2 + 2(EB E C +p B p C cosθ) 

≈ 2p B p C (1-cosθ) A 


θ 

B 

C

Erste Beschleuniger 

Rutherford: Vorschlag Teilchen beschleunigen um Kern-l 

struktur zu untersuchen. Gamow: Tunneleffekt: weniger 

Energie als erwartet 

1928: Cockroft and Walton: Apperat, der Protonen bis zu 

E=280 keV beschleunigte: in Glasröhre zwischen zwei 

Elektroden. Später bis 800 keV: Spannungsvervielfacher 

1932 Cockroft and Walton spalten Lithium in Helium 

mit 800 keV Protonen. Wird heute noch als erste 

Beschleunigungsstufe genutzt 


Das Zyklotron 

(1924-1929 ?) Rolf Wideroe and Gustaf Ising: Linac: 

Reihe von Zylindern mit Lücken: Wechselspannung 

Lawrence: Zyklotron: Linac im Magnetfeld 

aufgerollt,immer die gleiche Beschleunigungsspalte 

1931 (!): erstes 13cm -cyclotron erreicht 80 keV 

1932 (!): 1 MeV mit 28cm (11inch) Zyklotron 

1939: 1.5m (60 inch) Zyclotron: 9 MeV 

Bau des 4.6m (184 inch) Zyclotron -> Ziel: Pion 

Ausgeborgt durch Manhatten-Projekt: U235-Anreicherung 

McMillan und Veksler: Beschleunigungsspannung 

anpassen wg, relativistischer massenzunahme 

1946: 195 MeV Deuteronen produziert, zu spät für Pion 


CERN und das Synchroton-Rennen 

1949: Synchrophasotron in Dubna (560 MeV): 2 Jahre 

1952: Cosmotron in Brookhaven erreicht 3 GeV : 5 Jahre 

1954: Bevatron in Berkeley: 6GeV: 7 Jahre 

1954: CERN gegründet: 25 GeV Proton Synchrotron (PS) 

-> DOE bewilligt 25 GeV Synchrotron (AGS) für Brookhaven 

1956: Synchrophasotron in Dubna erreicht 10 GeV 

1959, Nov 24 : Das PS am CERN erreicht 24 GeV 

1960: AGS in Brookhaven erreicht 30 GeV 

Dubna Synchrophasotron CERN PS 

CERN PS: 

Umfang: 628 m 

277 konventionelle Magnete 

Beschleunigt Protonen, 

Elektronen und schwerionen 

Maximale Energie: 25GeV 

Seit 50 Jahren in Betrieb 


Erste Synchroton Detektoren: Blasenkammer 

1952: Donadl Glaser entwickelt Blasenkammer 

Überhitzte Flüssigkeit, Druckwird reduziert mit einem Stempel kurz 

bevor der Strahl aus dem Beschleuniger erwartet wird. 

Blasen bilden sich um ionisieirende Teilchen 

Automatischer Blitz erleuchtet die Blasen, fotographiert durch 

Fenster 

Große Zeit: Fixed-Target Experimente der 60er und 70er Jahre 

Zu langsam und nicht massiv genug für die heutigen 

Hochenergiekollisionen 

Big Europeean 

Bubble Chamber 

Gargamelle 


Die Synchroton-Detektoren: Scanner und Computer 

Blasenkammer-Photos wurden analysiert indem die Bilder 

per Habd gescannt wurden 

Labore stellten dafür spezielle Scannerinnen ein 

1950: erster Computer-unterstützter Scan (Franckenstein): 

100 Ereignisse am Tag 

Computer-unterstütztes Scannen 

Scannerin 


Der Teilchenzoo 

Später: 

Quarkmodell: Mesonen und 

Baryonen aus u,d,s-Quarks 

1964: 

Entdeckung des Ω - : sss 

K - + p → Ω - + K + + K 0 


Mesonen und Baryonen: Ordnungsschemata 

Spin0 Mesonen: 

Spin1 Mesonen: 


Mesonen und Baryonen: Ordnungsschemata 

Spin1/2 Baryonen: 

Spin3/2 baryonen: 


● 1964: Gell-Mann, Zweig: Quarkmodell 

Q= -1/3 Q= +2/3 

S= 0 d u 

S= -1 s 

Mesonen: 

gebundene Quark-Antiquarkzustände 

Baryonen: 

gebundene Zustände aus drei Quarks 

● 1968: Bestätigung des Quarkmodells am SLAC (Stanford): Friedmann, Kendall, Taylor 

Protonen mit 20 MeV-Elektronen beschossen → weiter Streuwinkel → punktförmige 

Streuzentren. Nobelpreis 1990 


Wellenfunktionen der Baryonen 

Quarks als identische Teilchen mit verschiedenen Freiheitsgraden: 

Raum:: Bahndrehimpulse, L, L' (SO(3)) 

Spin (SU(2)) 

Flavour: Quarktyp (SU(3)) 

Color: Farbe: rot, grün, blau (SU(3)) 

Spin-Statistik-Theorem: Quarks sind Fermionen → Wellenfunktion Ψ: 

antisymmetrisch unter dem Austausch beliebiger Quarks 

Ψ = Ψ R ▪ Ψ S ▪ Ψ F ▪ Ψ C 

Problem: Δ-(ddd), Δ++(uuu), Ω-(sss): 

Ψ R symmetrisch (L=L'=0) 

Ψ S symmetrisch da spin3/2: (↑↑↑) 

Ψ F symmetrisch da (ddd), (uuu) oder (sss) 

→ 1965: Greenberg, Han, Nambu: weiterer Freiheitsgrad: Farbe (Color): 

“rot, blau, grün”, (SU(3)-Struktur) 

Ψ C antisymmetrisch für alle Baryonen: Farbsinglett 


Wellenfunktionen der Baryonen 

Quarks als identische Teilchen mit verschiedenen Freiheitsgraden: 

Rau:: Bahndrehimpulse, L, L' (SO(3)) 

Spin (SU(2)) 

Flavour: Quarktyp (SU(3)) 

Color: Farbe: rot, grün, blau (SU(3)) 

Spin-Statistik-Theorem: Quarks sind Fermionen → Wellenfunktion Ψ: 

antisymmetrisch unter dem Austausch beliebiger Quarks 

Ψ = Ψ R ▪ Ψ S ▪ Ψ F ▪ Ψ C 

Spin 3/2 Baryonen: 


Ψ S symmetrisch da spin3/2: (↑↑↑) 

Ψ F symmetrisch 

Ψ C antisymmetrisch 

Spin 1/2 Baryonen: 


Ψ S antisymmetrisch da spin 1/2 

Ψ F antisymmetrisch 

Ψ C antisymmetrisch 

Beispiel Proton: 

Ψ S ▪ Ψ F = 1/(3√2) ▪ {(↑↓↑-↓↑↑)(udu-duu)+(↑↑↓-↑↓↑)(uud-udu)+(↑↑↓-↓↑↑)(uud-duu)} 


Reines and Cowan 1956: inverser β-Zerfall 


- 

Neutrinoquelle: Kernreaktor 

Abstand zum Detektor: 11m 

Neutrinofluss: 5x10E13/cm2/s 

Nachweisreaktion: 

Inverser β-Zerfall: νe + p → n + e + 

_ 

Detektor: Flüssigszintillator mit 

Photomultiplier 

promptes Signal: e + + e - → γγ 

verzögertes Signal: 

n+108 Cd → 109 Cd* → 109 Cd + γ

Die Entdeckung des Myon-Neutrinos 

_ 

1953: Leptonzahlerhaltung, _ 

z.B μ- → e- +v + v 

e_ , µ - ,v: L=1, v: L=-1 

aber Zerfall μ → e+γ nicht beobachtet 

→ separate e,µ -Leptonzahlen 

→ 2 Neutrino-Generationen 

1960: AGS geht in Betrieb 

1962: 15 GeV-Protonen auf Be-target 

→ Pionen → 25m → π + → μ + + νμ etc. 

13m Stahl → Netrinostrahl 

Detektor: Aluminium+Funkenkammer: 

Myonent: νμ +n → p+ μ 

→ Spur in Funkenkammer 

1988: Nobelpreis an Lederman, Schwartz 

und Steinberger 


Entdeckung der neutralen Ströme 

Fermi-Theorie der schwachen WW 

Probleme bei hohen Energien 

1967: Glashow , Salam und Weinberg: 

Vereinheitlichen EM und die schwache WW 

W± : β-Zerfall 

γ: Photon 

Z: Neu: noch nicht beobachtet 

1968: Bau von Gargamelle: Blasenkammer im 

CERN PS Muon-Neutrino-Strahl 

1972: Suche nach myonlosen Reaktionen: 

3 goldeneElektron-Ereignisse gefunden, in 

Hadronereignissen bestätigt 

Später (1984) W und Z direkt produziert 


Die Kollider 

1943: Wideroe. Grundlagen 

1963: Frascati+Orsay: ADA 

1965: Stanford: I GeV 

1972: SPEAR: e+e- collider: 4 GeV : c-Quark, τ-lepton 

1974 DORIS (DESY): e+e-, 7-10 GeV 

1978 PETRA (DESY): e+e-, 19 GeV : Gluon 

1981: SPS → 540 GeV proton-antiproton collider : W, Z 

1985: SPS → 800 GeV 

1985: Fermilab: Tevatron: Proton-Antiproton, 

1600 -> 1800 GeV : Top-Quark 

1989: Slac: SLC 100 GeV, linear collider: 

Z Präzissionsmessungen 

1989-2000: LEP: 90 GeV-208 GeV: 

SM Präzissionsmessungen 

1991: HERA e-p collider: e-: 27.5 GeV, p: 920 GeV: 

Protonenstruktur 

2001: Tevatron RunII: 1960 GeV 

2009: LHC 

20XX ILC ? 


LEP 

SPEAR

Die neuen Detektoren 

Mehrschichtig: Spurkammer, Kalorimeter, 

Myonkammer 

Zylinderförmig um den Kollisionspunkt 

Detektortechnologiene mit Schneller 

Antwort und kurzen Totzeiten. 

Elektronische Auslese 


Entdeckung des J/Psi 

Zweite Fermion-Generation komplett: μ, ν μ , s, c 

1974: 3.1-GeV Resonanz entdeckt,gleichzeitig in 

Mark I am SPEAR, SLAC (e*e-Kollider): Richter (“Ψ”) 

Scan der Schwerpunktsenergie 

AGS Brookhaven (proton-fixed-target) Ting (“J”) 

Invariante Masse der Zerfallsprodukte 

Enge Resonanz → langlebig 

Neues Quark: charm-quark: J/Ψ ist ein Meson 

(gehört zu den Quarkonia: Charmonium) 


Direkter Nachweis der W und Z Bosonen 

1973: Indirekter Nachweis des Z 

1981: SPS CERN: Proton-Antiproton- 

Kollisionen, Schwerpunktsenergie 540GeV 

Experimente UA1, UA2 

Januar 1983: Nachweis des W-Bosons 

Mai 1983: Nachweis des Z-Bosons 

1984: Nobelpreis Rubbia, van der Meer 

## 


Entdeckung des τ-leptons 

1972: Kobayashi und Maskawa erklären Verletzung der CP-Symmetrie 

in schwachen Prozessen mit der Miischung zwischen Schwachen und 

Massen eigenzuständen von Quarks in 3 Generationen 

→ Vorhersage einer dritten generation von Teilchen 

1975 Perl: e+e- Kollisionen am MarkII Detektor am SPEAR (SLAC) 

Neues Lepton, m=01.8 GeV : τ-Lepton: Später bestätigt mit mehr Daten 

1995: Nobelpreis für die Entdeckung des τ-Leptons 

.....2000: Direkter Nachweis des Tau-Neutrinos 

Im DONUT-Experiment 


Entdeckung des Y-Mesons 

1972 Fermilab Main accelerator: Protonen E= 200 GeV → 1975 : 500 GeV 

1977 Ledermann: Fixeded-Target Experiment E288 am Main Ring 

Scan der Di-Myon-Wirkungsquerschnittes: Resonanz bei 10 GeV 

→ Neues Quarkonium: Bottonium 

Entdeckung einer dritten Quarkgeneration 

Kobayashi-Maskawa Theorie wurde weltweit akzeptiert 

1988 Nobelpreis für Ledermann 

2008: Nobelpreis für Kobayashi und Maskawa 


Entdeckung des Top Quarks 

1985: Tevatron startet Proton-Antiproton-Kollisionen bei 

1600 GeV → Später 1800 GeV 

1995: Entdeckung der Top-Quarkproduktion durch die 

Experimente D0 und CDF, m t ≈ 175 GeV 


Teilchen im Standardmodell

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