“Elementary Particles” Lecture 5. Niels Tuning Harry van der Graaf. Thanks. Ik ben schatplichtig aan: Dr. Ivo van Vulpen (UvA) Prof. dr. ir. Bob van Eijk (UT) Prof. dr. Marcel Merk (VU). Homework. Exercises Lecture 4:. Adjoint spinor :. +. Exercises Lecture 4:. Exercises Lecture 4:.
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Plan 11 Feb • Intro: Relativity and accelerators • Basis • Atom model, strong and weak force • Scattering theory • Hadrons • Isospin, strangeness • Quark model, GIM • Standard Model • QED • Parity, neutrinos, weak inteaction • QCD • e+e- and DIS • Higgs and CKM 1900-1940 18 Feb 1945-1965 4 Mar 1965-1975 18 Mar 1975-2000 22 Apr 2000-2013 13 May Niels Tuning (12)
Lecture 1: Accelerators & Relativity • Theory of relativity • Lorentz transformations (“boost”) • Calculate energy in collissions • 4-vector calculus • High energies needed to make (new) particles Niels Tuning (14)
Lecture 2: Quantum Mechanics & Scattering • Schrödinger equation • Time-dependence of wave function • Klein-Gordon equation • Relativistic equation of motion of scalar particles • Dirac equation • Relativistically correct, and linear • Equation of motion for spin-1/2 particles • Described by 4-component spinors • Prediction of anti-matter Niels Tuning (15)
Lecture 2: Quantum Mechanics & Scattering • Scattering Theory • (Relative) probability for certain process to happen • Cross section • Fermi’s Golden Rule • Decay: “decay width” Γ • Scattering: “cross section” σ Scattering amplitude in Quantum Field Theory Classic a → b + c a + b → c + d Niels Tuning (16)
Lecture 3: Quarkmodel & Isospin • “Partice Zoo” not elegant • Hadrons consist of quarks • Observed symmetries • Same mass of hadrons: isospin • Slow decay of K, Λ: strangeness • Fermi-Dirac statistics Δ++, Ω: color • Combining/decaying particles with (iso)spin • Clebsch-Gordan coefficients Niels Tuning (17)
More gauge transformations • We had: U(1) (QED) • Then: SU(2) (Weak) • How about: SU(3) (QCD) a=1,8: 8 gluons Another covariant derivative: with 8 Aμfields: which transform as: Gluonic field tensor: Niels Tuning (25)
QCD Lagrangian qγμ m Interaction with coupling q 8 Gluon fields Aμ Self-interaction Fermion ψwith mass m ! Niels Tuning (26)
Lecture 4: QED and QCD QED QCD • Local SU(3) gauge transformation • Introduce 8 Aμa gauge fields • Non-“Abelian” theory, • Self-interacting gluons • Gluons have (color) charge • Different “running” • Local U(1) gauge transformation • Introduce 1 Aμ gauge field • “Abelian” theory, • No self-interacting photon • Photons do not have (electric) charge • Different “running” Niels Tuning (27)
Asymptotic Freedom • Running in QCD • High energy: coupling small Asymptotic freedom Niels Tuning (35)
“Confinement” • Running in QCD • Low energy: coupling big Confinement barrier Niels Tuning (36)
Standard Model Todo-list: • e+e- scattering • QED at work (LEP): R, neutrinos • e+p scattering • QCD at work (HERA): DIS, structure functions, scaling • No masses for W, Z • (LHC/ATLAS) Higgs mechanism, Yukawa couplings • Consequences of three families • (LHC/LHCb) CKM-mechanism, CP violation Today 21 May Niels Tuning (37)
Shopping list • e+e-→μ+μ- • e+e-→cc • Confirmation of “color” • Discovery of charm • e+e-→qq g • Discovery of the gluon • e+e-→tt • Hunt for the top • e+e-→Z • 3 neutrino’s • e+e-→WW Niels Tuning (39)
Scattering • Rutherford scattering (scattering off static point charge) • Mott scattering (now with high energy, taking into account recoil of target and magnetic moment: spin ½) • spin-½ spin-½ scattering (average over incoming spin, sum over outgoing spin) Niels Tuning (43)
e+e-→μ+μ- • Point cross section • At √s=10 GeV: σ(e+e-→μ+μ-) ~ 0.9 nb Niels Tuning (44)
e+e-→hadrons • Point cross section • At √s=10 GeV: • σ(e+e-→q+q-) ~ 3.6 nb
e+e-→hadrons • Compare cross section of σ(e+e-→q+q-) to σ(e+e-→μ+μ-) • Photon couples to fermion charge! • Color of quarks? • Inspect Ratio R: e- f γ - f e+