Wie werden Quarks und Leptonen experimentell nachgewiesen?

Leptonen sind einfach und werden seit vielen Jahrzehnten gesehen

Ein "Lehrbuch"-Bild aus der BEBC-Blasenkammer. Ein Neutrino interagiert mit einem Proton im flüssigen Wasserstoff, um ein negatives Myon, ein Proton und ein angeregtes bezaubertes Meson (D*) zu erzeugen. Das D* zerfällt zu einem verzauberten D0-Meson plus einem positiven Pion und das D0 selbst zerfällt zu einem negativen Kaon und einem weiteren positiven Pion. Nach dem Stoppen in der Flüssigkeit interagiert das Kaon mit einem anderen Proton, um ein Hyperon zu erzeugen.

Unter Verwendung von Energie- und Impulserhaltung kann man für die Massen auflösen. [Neutrinos mit Algebra und aus fehlender Energie und Impuls, Elektronen und Myonen aus direkter Beobachtung. Taus aus Algebra und Energieimpulserhaltung. Die neuen Experimente verwenden eine ausgeklügelte Elektronik, um die Krümmungen zu messen, die den Impuls geben, und die Programme machen das passende Ereignis für Ereignis.

Quarks wurden bisher nur als Quarkjets gesehen, weil sie niemals frei sind.

Top-Quark- und Anti-Top-Quark-Paar zerfallen in Jets, sichtbar als kollimierte Ansammlungen von Teilchenspuren und anderen Fermionen im CDF-Detektor bei Tevatron.

Die CERN-Lehrmaterialien sollen Interessierten eine Hilfe sein. Besonders diese.

Nur unter allen Elementarteilchen$e^\pm$,$\mu^\pm$Und$\gamma$werden direkt in den modernen Detektoren nachgewiesen. Für,$e^\pm, \gamma$, werden Kalorimeter verwendet: Diese Teilchen interagieren mit Material mit einer großen Ordnungszahl, wodurch viel mehr Elektronen und Photonen erzeugt werden, was einen sogenannten elektromagnetischen Schauer erzeugt. Für Myonen werden Gasdetektoren normalerweise in Verbindung mit einem Tracker (der mit Siliziumdetektoren hergestellt werden kann) verwendet, der dank eines starken Magneten die Flugbahn geladener Teilchen messen kann.

Alle anderen Elementarteilchen werden über ihre Zerfallsprodukte detektiert, indem ihre Energie/Impuls kombiniert wird, um die invariante Masse der Zerfallsprodukte zu messen. Der Vergleich der unveränderlichen Masse mit der nominellen Masse des Teilchens gibt einen guten Hinweis auf die Natur des Teilchens.

Im Falle der$\tau$Lepton, die Lebensdauer ist groß genug, dass sie einige mm fliegen können, bevor sie zerfallen. Durch Erkennen des primären Scheitelpunkts (Kollisionsquelle), wo die$\tau$erzeugt worden ist und der Zerfallsscheitel, können wir ihre Flugzeit messen. Die Kombination der Flugzeit und der invarianten Masse der Zerfallsprodukte sind eine gute Möglichkeit, dies zu identifizieren$\tau$.

Quarks können nicht frei fliegen und sind notwendigerweise in Hadronen (Pionen, Protonen usw.) "gekleidet". Wenn die Energie des Quarks groß genug ist (und dies ist bei modernen Experimenten der Fall), erzeugt 1 einzelnes Quark eine große Anzahl von Hadronen, die ungefähr in die gleiche Richtung wie das ursprüngliche Quark fliegen. Dies wird einen Strahl von Hadronen bilden. Jetzt$b$Quark und in geringerem Maße C-Quark produzieren jeweils B- und verzauberte Hadronen, die wenige mm fliegen können. Also noch einmal, ein Strahl von Hadronen, der nicht auf den primären Scheitelpunkt zeigt, ist ein Zeichen dafür$b$oder$c$Quark. Für$u,d,s$Quarks erzeugen sie Jets, die nicht wirklich unterschieden werden können (zumindest bei den heutigen hochenergetischen Kollisionen). Gluonen erzeugen die gleiche Art von Jets (aber etwas breiter). Top-Quark ist etwas Besonderes: Seine Lebensdauer ist so kurz, dass es sofort in b-Quark plus a zerfällt$W$. Also die Assoziation von a$b$-Jet mit a$W$(siehe später) ist ein Zeichen für a$t$Quark. In den Jets enthaltene Hadronen werden mit Hadronkalorimetern nachgewiesen.

$Z$Und$W$Bosonen haben eine sehr kurze Lebensdauer und zerfallen, sobald sie produziert werden. Allerdings ist ihre Masse im Vergleich zu (fast) allen anderen Elementarteilchen enorm.$Z$können über ihren leptonischen Zerfall eine eindeutige Signatur haben$Z\to e^+ + e^-, \mu^+ + \mu^-, \tau^+ + \tau^-$. Wenn sie in Quarks zerfallen$q \bar{q}$, produzierten sie 2 Jets, die kombiniert werden können, um die invariante Masse zu messen (aber mit einer viel weniger guten Genauigkeit als mit dem leptonischen Kanal). Für$W$, sie können in ein Neutrino und ein geladenes Lepton oder in zerfallen$q \bar{q'}$Herstellung von 2 Jets. Die Neutrinos werden nicht detektiert und erscheinen daher als fehlender Energiefluss im Vergleich zur Anfangsenergie der Kollision. Die Kombination der Größe dieser fehlenden Energie und ihrer Richtung mit dem geladenen Lepton ergibt ein ungefähres Massenspektrum mit einer Form, die zur Verfolgung verwendet werden kann$W$. Beim W hadronischen Zerfall (in Jets) gibt die Kombination von Jets auch Zugang zur invarianten Masse.