In dit hoofdstuk worden eerst de ontdekkingen van de neutrale

In dit hoofdstuk worden eerst de ontdekkingen van de neutrale en geladen leptonen besproken.
V
Vervolgens
l
wordt
dt d
de ontdekking
td kki van h
hett pion
i b
besproken,
k
nauw verbonden
b d mett d
de ontdekking
td kki van
het muon. Ten slotte volgt een bespreking van de ontdekking van de eerste vreemde deeltjes, die
een s-quark bevatten.
Na de ontdekking van het elektron als deeltje verantwoordelijk voor lading door J.J. Thomson in
1897 volgt de bevestiging door Einstein dat licht bestaat uit kwanta met energie E=hν. Einstein
test experimenteel het foto-elektrisch effect. De verstrooiingsproeven van Rutherford tonen dat het
atoom grotendeels leeg is, en bestaat uit een kleine dense kern. Rutherford voorspelt het bestaan
van het neutron, neutraal equivalent van de waterstofkern. Het neutron wordt in 1932
waargenomen door JJ. Chadwick
Chadwick.
De observatie van schending van behoud van vier-impuls en impulsmoment leidt Pauli in 1930 tot
de voorspelling van het bestaan van het neutrino. Het duurt tot 1956 vooraleer men in staat is om
neutrino’s waar te nemen. De eerste interacties van elektron antineutrino’s bij een reactor worden
gerealiseerd door Cowan en Reines.
In 1935 maakt H. Yukawa de voorspelling dat er mesonen bestaan, sterk interagerende hadronen
met massa tussen deze van het elektron en het proton. Het pion is volgens Yukawa het deeltje
dat verantwoordelijk is voor de sterke interacties tussen nucleonen. Het duurt tot 1947 vooraleer
men de
d pionen
i
ontdekt
d k iin kkosmische
i h straling.
li
T
Terzelfdertijd
lfd ijd zijn
ij ook
k muonen iin kkosmische
i h straling
li
waargenomen. Gedurende een hele tijd was er verwarring over welk van de twee deeltjes nu het
Yukawa meson was. Bleek dat het pion vervalt in het muon. Met de ontdekking van het muon
heeft men de 2de generatie leptonen aangeboord. De discussie van de Yukawa theorie volgt in
hoofdstuk V.
Parallel met de ontdekking van de pionen en muonen heeft men in kosmische straling in 1947
vreemde deeltjes ontdekt: kaonen en lambda’s. Hiermee werd een nieuw kwantumgetal,
vreemdheid, geassocieerd, en werd de 2de generatie quarks aangeboord.
Voor de meeste ontdekkingen gedaan in de periode tot 1960 gebruikte men nucleaire emulsies of
nevelvaten. Een overzicht van deze detectoren wordt gegeven in hoofdstuk IV.
1
Deel 1: in het Standaard Model bestaan er 3 generaties (flavours) neutrino’s. dit
werd met grote precisie bevestigd door de metingen bij de LEP versneller in
CERN. We zullen het postulaat van het neutrino door Pauli bespreken,
vervolgens de ontdekking van de 3 soorten neutrino’s. Het neutrino is enkel
gevoelig aan de zwakke wisselwerkingen. Dit betekent dat de kans om te
interageren zeer klein is en men grote detectoren nodig heeft met grote dichtheid
aan kernen. Het heeft bvb 25 jaar geduurd tussen de invoering van het elektronneutrino om beta verval te verklaren, en de waarneming van de eerste neutrino’s
bij een reactor.
Deel 2: het elektron werd ontdekt door Thomson on 1897, het muon wordt
besproken samen met de ontdekking van het pion. Het tau-lepton wordt in dit
deel besproken.
Deel 3: waarneming eerste pion (u,d quarks) en muon en verband met de
Yukawa theorie voor de sterke wisselwerkingen.
Deel 4: ontdekking vreemde deeltjes. Men heeft ze zo genoemd omdat ze sterk
wisselwerken maar zwak vervallen. Ze dragen een nieuw kwantumgetal,
vreemdheid, verbonden met het s-quark.
2
3
4
5
6
In 1935 is men overtuigd dat materie bestaat uit 4 deeltjes: p,n,e,neutrino. Men
kan met deze deeltjes alle atomen bouwen. Wat nog ontbreekt is het deeltje dat
de propagator is voor de sterke wisselwerkingen, het meson uit de Yukawa
theorie. Alle experimenten zijn dan ook gericht op de ontdekking van dit meson.
In 1937 ontdekt men in kosmische straling een penetrerend deeltje (het muon)
dat men eerst aanziet als het meson van Yukawa. In 1947 ontdekt men het pion
dat sterk interagerend is (en bijgevolg het Yukawa meson is) en in een muon en
eut o vervalt.
e a t De
ep
pion-muon
o
uo pu
puzzle
e is
s opge
opgelost.
ost Men
e ste
steltt zich
c de vraag
aag o
of het
et
neutrino
neutrino uit pion verval hetzelfde neutrino is als in beta verval van het neutron. In
muon verval worden 2 neutrino’s geproduceerd. Men postuleert het bestaan van
2 soorten neutrino’s: elektron en muon type.
Steinberger en Co stellen voor om een muon-neutrino bundel te bouwen
vertrekkend van pion verval. Dit is de eerste keer dat men neutrinobundels kan
realiseren. Hun experiment toont aan dat er inderdaad 2 soorten neutrino’s
bestaan Dit wordt in deze paragraaf besproken
bestaan.
besproken.
7
Dit experiment werd uitgevoerd door J. Steinberger. Hij heeft voor de ontdekking
van het muon neutrino en de productie van de eerste neutrinobundel de
Nobelprijs gekregen in 1988.
8
9
10
Met de ontdekking van het tau-lepton in 1975 (zie deel 2) is het aantal lepton
generaties uitgebreid van 2 naar 3.
In 1977 werden deeltjes met b-quark ontdekt, zodat toen het aantal generaties
quarks ook uitgebreid werd naar 3. Het top quark werd pas ontdekt in 1995 (zie
hoofdstuk IX).
In 2000 werd voor het eerste tau-neutrino bundels geproduceerd en werden
interacties van tau-neutrino’s waargenomen. Daarmee is het plaatje van de
bestaande leptonen volledig: er zijn 3 generaties leptonen
leptonen, elke generatie
bestaan uit een geladen en neutraal lepton. Het aantal neutrino soorten werd met
grote nauwkeurigheid gemeten bij de LEP versneller in CERN, en is gelijk aan 3.
Er dient opgemerkt te worden dat dit enkel geldt binnen het Standaard Model.
Theoriën buiten het Standaard Model kunnen meer soorten neutrino’s
voorspellen, maar deze werden nog niet waargenomen.
11
12
13
14
Dit is een van de tau-neutrino interacties, bekeken in verschillende projecties en
met zoom op de emulsieplaten. De interactie vertex (interactie punt IP) wordt
voorspeld door de sporenkamers in de spectrometer. De metingen van alle
sporen in de sporenkamers worden ge-extrapoleerd tot een punt (binnen de µm
meetresolutie). Nadien scant men de emulsie om te zoeken naar een
interactiepunt rond de voorspelde positie. Het tau-lepton (rood) is ge-identificeerd
als het spoor met een knik (kink) op 4,5 mm van het interactiepunt te wijten aan
zijn verval (korte levensduur!). In de detector werd in het verlengde van het
(groene) elektron spoor een elektromagnetische shower gevonden. Het gaat hier
dus om een tau verval in elektron en 2 neutrino’s (welke?).
Er werden opnames gemaakt tijdens 6 maanden in 1997. daarin werden 500
interacties weerhouden waarbij een interactiepunt voorspeld werd in de
emulsieplaten. Hiervan waren er 203 events mogelijke neutrino interacties
(elektron, muon of tau neutrino interacties).
Er werden 4 tau
tau-neutrino
neutrino kandidaten gevonden
gevonden, waar men 0
0.34
34 achtergrond
gebeurtenissen verwacht volgens het standaard model.
15
16
SPEAR is een e+e- collider die botsingen produceerde bij
massamiddelpuntsenergie van 4 tot 8 GeV. Deze versneller is beroemd omdat
daar het eerste deeltje met charm ontdekt werd in 1974 (zie hoofdstuk IX) en
vervolgens het tau-lepton in 1975.
In het experiment van M. Perl werden 64 gebeurtenissen met een elektron +
muon waargenomen. Er was geen conventionele uitleg hiervoor: behoud van
generatie leptongetal verbiedt de productie van een elektron + muon. Men
e oedde dat er
e twee
t ee zware
a e leptonen
epto e (tau-leptonen)
(tau epto e ) gep
geproduceerd
oducee d werden
e de d
die
e
vermoedde
elk vervielen in elektron of muon. De metingen waren hiermee in
overeenstemming.
In de interactie (1) staat ‘X’ voor geladen hadronen die ontsnappen aan detectie
omdat de detector geen 4p ruimtehoek beslaat, of neutrino’s, of fotonen, of
neutrale hadronen.
17
De anomalie in de gebeurtenissen ligt in het feit dat men een combinatie
elektron+muon detecteert. Dit is verboden volgens behoud van lepton generatie
getal (lepton flavour). Vermits de 2 geladen deeltjes niet op een lijn liggen zijn ze
geproduceerd in het verval van een zwaarder deeltje. Uit vier-impuls behoud kan
men afleiden dat er minstens 2 niet-gedetecteerde deeltjes geproduceerd zijn,
waarschijnlijk neutrino’s. Buiten het elektron en muon zijn er geen geladen
deeltjes, noch fotonen waargenomen. Uit behoud van vier-impuls kan men
berekenen dat het nieuwe deeltje een massa van de orde 1.6-2.0 GeV/c2 heeft.
18
De ontdekking van het pion en het muon zijn nauw met elkaar verbonden.
Yukawa postuleerde in 1935 dat het kwantum van de sterke wisselwerkingen een
meson was met een massa tussen dat van het elektron en dat van het proton. Dit
wordt besproken in hoofdstuk V. Zijn theorie is analoog aan deze voor
elektromagnetisme: tussen twee sterk interagerende deeltjes wordt een meson
uitgewisseld op analoge manier als het foton tussen twee geladen deeltjes. Het
verschil is dat het meson een massa verschillend van nul heeft en bijgevolg de
dracht
d
ac t van
a de ste
sterke
e wisselwerking
sse e
g zeer
ee kort
o t is.
s
De theorie werd pas echt bevestigd toen het pion ontdekt werd. Pion uitwisseling
beschrijft de sterke wisselwerkingen goed op grote afstand (atoomkern), niet op
afstanden tussen quarks. Voor de beschrijving van interacties tussen quarks
heeft men quantum-chromo-dynamica (QCD) nodig, zoals we zullen zien in
hoofdstuk V en X.
19
Zowel het muon als het pion hebben een massa in de buurt van de verwachting
voor het Yukawa meson: het muon heeft massa 105 MeV/c2 en het geladen pion
heeft een massa van 139 MeV/c2. In de periode 1937-1947 heeft men eerst in
kosmische straling muonen ontdekt en een tijd gedacht dat dit het Yukawa
meson was. Vervolgens heeft men in kosmische straling pionen waargenomen.
Deze bleken het Yukawa deeltje te zijn, met de juiste massa en onderhevig aan
de sterke wisselwerkingen. Men heeft ook ontdekt dat het pion vervalt in het
muon. De pion-muon puzzle is opgelost in 1947.
De opstelling van Neddermeyer & Anderson was analoog als het nevelvat waarin
Anderson het positron ontdekt heeft (zie hoofdstuk).
Het verband tussen dE/dx en βγ=p/m wordt gegeven door de Bethe Bloch
formule voor ionisatie en wordt besproken in hoofdstuk IV.
Uit de kromtestraal r en het magneetveld B kan men de impuls p van een deeltje
met lading q berekenen als: p=qBr (Lorentz kracht).
Een proton van 100MeV/c heeft een snelheidsfactor βγ=p/mc=100/938ª0,1 wat
overeenkomt met een snelheid v ª 0,1c. Terwijl voor een muon van 100 MeV/c
βγ=p/mc=100/105ª1 wat overeenkomt met een snelheid v ª 0,7c.
20
We weten nu dat dit penetrerend deeltje het muon was. Dit is een lepton en is
bijgevolg niet onderhevig aan de sterke wisselwerkingen. Het kon dus niet het
kwantum van de sterke wisselwerkingen zijn.
21
Het doel van de experimenten van Conversi en collega’s was het gedrag van de
pas ontdekte penetrerende deeltjes in de absorbers te onderzoeken. In de
absorbers worden de deeltjes vertraagd tot zeer lage snelheid. In het
mangeetveld zullen de positieve deeltjes en negatieve deeltjes in andere
richtingen afgebogen worden. Zo kan men ze van elkaar onderscheiden.
De typische tijd voor sterke interacties is 10-23s, terwijl de typische tijd voor zwak
verval van de orde 10-6 – 10-8 s is.
De probabiliteit voor absorptie hangt af van de dichtheid van de kernen
kernen. In Fe
worden de negatieve muonen dus vaker gestopt dan in C.
22
Cecil Powell heeft in 1950 de Nobelprijs gekregen voor de ontwikkeling van
fotografische methodes voor de studie van nucleaire processen en voor het
ontdekken van het geladen pion. Hij heeft in 946 een proces uitgewerkt waardoor
de concentratie aan emulsie groter werd en korte sporen beter zichtbaar werden.
23
24
Het neutraal pion vervalt elektromagnetisch.
De geladen pionen vervallen zwak: het is een twee-deeltjes verval. Bijgevolg is
het muon spoor altijd even lang.
In muon verval worden 3 deeltjes geproduceerd. Het positron heeft een
energieverdeling en zijn spoor heeft variërende lengte (zie oefeningen).
25
In 1943 werd door Louis Leprince-Ringuet in een nevelvat opgesteld in de Franse
Alpen een ongekend positief deeltje ontdekt met een massa tussen dat van het
elektron en dat van het proton. Dit was het eerste geladen kaon. In 1947 hebben
G.D. Rochester en C.C. Butler ‘nieuwe onstabiele materie’ waargenomen in twee
opnames met een nevelvat: een neutraal en een geladen V deeltje. Deze blijken
te vervallen in geladen deeltjes. Dit waren een neutraal en geladen kaon. Het
eerste Λ deeltje werd ontdekt in 1951 in kosmische straling.
O de tusse had
Ondertussen
ad men
e in 1947
9 oo
ook het
et ge
geladen
ade p
pion
o e
en het
et muon
uo o
ontdekt,
tde t, oo
ook in
kosmische straling.
De nieuwe deeltjes hadden een vreemd gedrag: zij interageren volgens de sterke
wisselwerkingen, maar hebben een ‘lange’ levensduur, van de orde verwacht
voor zwakke wisselwerkingen. De deeltjes blijken later bij versnellers steeds in
paar voor te komen. Men geeft de nieuwe deeltjes een nieuw kwantumgetal,
vreemdheid, dat additief behouden is in de sterke wisselwerkingen, maar niet
noodzakelijk behouden is in de zwakke interacties
interacties.
De neutrale kaonen (kaon en anti-kaon) zijn experimenteel niet waarneembaar
maar mengen tot twee kaon toestanden (K-short en K-long) die een zeer
verschillende levensduur hebben en waarneembaar zijn. Dit is het fenomeen van
kaon mixing. Dit fenomeen houdt verband met schending van CP-symmetrie in
de zwakke wisselwerkingen (zie hdst VII).
26
Leprince-Ringuet plaatste een nevelvat in een magentisch veld van 2,5 Tesla, in
de Franse Alpen, met de bedoeling om penetrerende deeltjes uit de kosmische
straling te bestuderen (de muonen die toen pas ontdekt waren). Dit zijn deeltjes
die weinig energie verliezen in de detector.
Een van de foto’s toonde een positief deeltje met impuls van 500 MeV/c dat een
secundair deeltje produceerde met impuls 1 MeV/c. Hij veronderstelde dat het
om een elastische botsing van het nieuw deeltje met een elektron ging. Daaruit
e dde hijj de massa
assa van
a het
et kaon
ao a
af : 506 +- 6
61 MeV/c2
e /c ((K+ massa
assa is
s 493,68
93,68
leidde
MeV/c2). Het kon geen proton zijn.
27
Rochester en Butler (Manchester) doen experimenten met een nevelvat in een
magneetveld om de deeltjes te bestuderen die geproduceerd worden door
interacties van kosmische straling met een Pb plaat. Zij vinden twee
onbegrijpelijke opnames. Het blijken nieuwe onstabiele deeltjes te zijn met een
verval in de vorm van een ‘V’. Men noemt ze dan ook V+ en V0 deeltjes. Om de
statistiek te verhogen hebben ze het nevelvat verplaatst naar de Pic du Midi
(Franse Pyreneen) waar de rate aan kosmische straling hoger was. Toen werden
twee soorten V deeltjes waargenomen. Het bleek om K-mesonen en Λ hyperonen
te gaan.
28
Dit zijn de eerste opnames van Rochester en Butler.
29
Het K+ komt links binnen en vervalt in 3 pionen (A). Twee ervan verlaten de emulsieplaat ( a en
b) h
b),
hett d
derde
d pion
i iinterageert
t
t iin B en produceert
d
t ttwee geladen
l d d
deeltjes.
ltj
Dit b
bevestigt
ti t d
datt h
hett
nieuwe deeltje met massa tussen de elektron en proton massa onstabiel is.
30
Zoals later zal blijken worden vreemde deeltjes in een interactie steeds in paren
geproduceerd. Men spreekt van geassocieerde productie.
Het Lambda vervalt in een proton. Wegens behoud van baryongetal moet het
lambda dan een baryon zijn.
31
De werkzame doorsnede meet de probabiliteit dat een interactie plaats grijpt. Dit
wordt besproken in hoofdstuk VI.
Mosten de vreemde deeltjes sterk vervallen dat zou hun levensduur van de orde
10-23 s zijn.
32
Men heeft ervoor gekozen om het positieve K+ een positieve vreemdheid te
geven. Bijgevolg heeft het s-quark een negatieve vreemdheid.
33
De K0 en anti-K0 kwantummechanische toestanden gaan in elkaar over door een
C-pariteit transformatie (deeltje naar antideeltje). Deze toestanden zijn zelf niet
waarneembaar. Ze mengen echter en dit geeft aanleiding tot de 2 waarneembare
toestanden K0s (K0 short) en K0L(K0 long), met sterk verschillende levensduur.
Het feit dat geladen kaonen zowel in 2 als in 3 pionen kunnen vervallen heeft
lang voor controverse gezorgd, de zgn τ-θ puzzle. Immers een twee-pion
systeem heeft pariteit P=+1 terwijl de pariteit van een drie-pion systeem = -1. De
e a g is
s dat pariteit
pa te t niet
et be
behouden
oude is
s in de zwakke
a e interacties
te act es ((vervallen).
e a e ) Ditt
verklaring
wordt besproken in hdst VII.
34
35