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Par$cle Physics (Senior Honours) Lectures : Tuesday & Friday 12:1013:00 (JCMB 6206) There will be 18 lectures There will be no lectures in weeks 9 & 11 Tutorials : Thursday 9:009:50 (JCMB 5215) There will be 5 tutorials in weeks 3,5,7,8,10 Tutorial slots may be exchanged with a lecture Office Hours : Thursday 15:0017:00 (JCMB 5420) Prof. Steve Playfer Spring 2010 Par$cle Physics Lecture 1 Steve Playfer 12/1/10 1

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Page 1: Par$cle(Physics((Senior(Honours)playfer/mystery.pdfmystery.pptx Author: Steve Playfer Created Date: 1/11/2010 12:00:26 PM

Par$cle  Physics  (Senior  Honours)    

•  Lectures  :  Tuesday  &  Friday  12:10-­‐13:00  (JCMB  6206)  

       There  will  be  18  lectures          There  will  be  no  lectures  in  weeks  9  &  11    •  Tutorials  :  Thursday  9:00-­‐9:50      (JCMB  5215)  

       There  will  be  5  tutorials  in  weeks  3,5,7,8,10          Tutorial  slots  may  be  exchanged  with  a  lecture      •  Office  Hours  :  Thursday  15:00-­‐17:00  (JCMB  5420)  

Prof.  Steve  Playfer        Spring  2010  

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    12/1/10   1  

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Synopsis  

•  Introduc$on  •  Feynman  Diagrams  

•  Dirac  Spinors  •  Electromagne$c  interac$ons  

•  Weak  interac$ons  •  Electron-­‐proton  sca[ering  •  Evidence  for  partons  •  Strong  interac$ons  •  Quark  model  of  hadrons  

•  Hadron  produc$on  &  Jets  •  Weak  decays  of  hadrons  

•  Symmetries    •  Mixing  &  CP  Viola$on  

•  Neutrino  oscilla$ons  •  Electroweak  theory  •  Higgs  bosons  •  Beyond  the  Standard  Model  •  Physics  in  the  LHC  era    

An  overview  of  the  Standard  Model  of  par$cle  physics  and  its  extensions.  Experimental  data  will  be  shown,  and  theore$cal  ideas  will  be  introduced.  The  Quantum  Physics  &  Subatomic  Physics  courses    are  prerequisites.    

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References  &  Websites  

•  D.Griffiths  –  Introduc$on  to  Elementary  Par$cles  (Wiley  2008)  

•  B.R.Mar$n  &  G.Shaw  –  Par$cle  Physics  (Wiley  1997)  •  D.H.Perkins    –  Introduc$on  to  High  Energy  Physics  (CUP  2000)  

•  F.Halzen  &  A.D.Mar$n  –  Quarks  &  Leptons  (Wiley  1984)    

•  A.Seiden  –  Par$cle  Physics:  A  Comprehensive  Introduc$on    

       (Addison-­‐Wesley  2005)  •  I.J.R.Aitchison  &  A.J.G.Hey  –  Gauge  Theories  in  Par$cle  Physics              (Hilger  1989)  

     Par$cle  Data  Group  (PDG)    h[p://pdg.lbl.gov       CERN/LHC    h[p://public.web.cern.ch/public  

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    12/1/10   3  

Introductory  textbooks  

More  advanced  textbooks  

Useful  websites  

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Lecture  1  -­‐  Introduc$on  to  Par$cle  Physics  

H0  Higgs  ?  

Large  Hadron  Collider  

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On studying particle physics

“Elementary”  said  he    

“  It  is  one  of  those  instances  where  the  reasoner  can  produce  an        effect  which  seems  remarkable  to  his  neighbours,  because  the                la[er  has  missed  the  one  li[le  point  which  is  the  basis  of  the          deduc$on.”  

“I  have  been  guilty  of  several  monographs.  Here  is  the  one  ‘Upon  the  dis$nc$on  between  the  Ashes  of  the  Various  Tobaccos.’”  

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    12/1/10   5  

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Q  Charge  

+2/3  e  

-­‐1/3  e  

-­‐1  e  

   0    

I3   B   L  Isospin  

Baryon  Number  

Lepton  Number  

+1/2  

-­‐1/2  

+1/2  

-­‐1/2          0  

     0  

+1/3  

+1/3  

   +1  

   +1  

     0  

     0  

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Fermion  Masses  These  are  well  measured  (apart  from  νi  )  but  the  hierarchy  is  hard  to  understand:  

•   Logarithmic  scale  covers  15  orders  of  magnitude  

•   Charged  lepton  (i=e,µ,τ),  up  (ui  =  u,c,t)  and  down  (di=d,s,b)  quark                    masses  are  similar  but  pa[erns  are  not  iden$cal  

•   Neutrinos  (νi)  are  much  lighter              Absolute  scale  is  unknown  (<1eV)      

•   Only    the  two  νi    mass  differences  are  known:              Δm12

2  =  (7.6±0.2)  x  10-­‐5  eV2    ,  Δm232  =  (2.4±0.1)  x  10-­‐3  eV2  

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    12/1/10   7  

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An$ma[er  

•  Masses  (and  life$mes)    are  equal  

•  Charges  are  equal  and  opposite  •  Baryon/lepton  numbers  equal  and  opposite  

•  Massless  fermions/an$fermions  are  leq/right-­‐handed    •  Fermion/an$fermion  annihilate  into  energy  (bosons)  

         …  or  can  be  created  as  a  pair  at  high  energy  colliders  

•  The  universe  is  made  of  ma[er  (fermions)    

According  to  Quantum  Mechanics  (Dirac  equa$on)          _  Every  S=1/2  fermion  (  f  )  has  an  an$fermion  partner  (  f  )  

                                                                                                                     _                                                                          _  Positron  e+  (1933),  An$neutrino  νe  (1956),  An$proton  p    (1955)      

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Mysteries  of  the  Fermions  

•  Are  the  fermions  really  point-­‐like  objects  (re  <  10-­‐20m)?  

•  Why  are  there  exactly  twelve  elementary  fermions?  

•  Why  are  there  three  “genera$ons”  with  different  “flavours”?  

•  Why  do  they  have  different  masses  and  charges?  

•  Why  do  charged  fermions  have  anomalous  magne$c  moments  (g-­‐2),  but  no  electric  dipole  moments?  

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    12/1/10   9  

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Mysteries  of  the  Fermions  (cont.)  

•  Why  do  quarks  have  strong  interac$ons    with  three  “colours”?  

•  Why  do  weak  interac$ons  change  quark  flavour,  but  not  lepton  flavour?  

•  Why  do  neutrinos  have  flavour  oscilla$ons?  

•  What  are  the  differences  between  fermions  and  an$fermions?  

•   How  do  we  explain  the  Baryon  asymmetry  of  the  Universe?  

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    12/1/10   10  

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Interac$ons  of  Leptons  •  Electromagne$c  

•  Weak  (Charged)  

All  charged  lepton  flavours  (i=e,µ,τ)  have  the  same  couplings    (lepton  universality)  No  flavour-­‐changing  γ,W,Z  interac$ons  (but  there  is  νi  mixing!)  

•  Weak  (Neutral)  

•  There  are  no  strong  interac$ons    

i  

i   i  

i  

γ (photon)  

√α

W  boson  

Z  boson  

i  i  

i  

i  

νi  

νi  

νi  

νi  

gL,gR!

gL !

gL !

gL !

√α

gL(gR) are  leq  (right)-­‐handed  couplings    

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    12/1/10   11  

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Interac$ons  of  Quarks  •  Electromagne$c  

•  Weak  (Charged)  

All  quark  flavours  (ui=u,c,t,  di=d,s,b)    have  the  same  strong  couplings    No  flavour-­‐changing  g,  γ,  Z  interac$ons  …  but  W  has  flavour-­‐changing  couplings  to  all  possible  ui  and  di  

•  Strong  Interac$ons  

•  Weak  (Neutral)  

ui  

di   di  

ui  

γ (photon)  

√α

W  boson  

g (gluon)  

ui  ui  

ui  

ui  

di  

di  

gL !

gL !

√α di  

√αs  

√αs  

di  

ui  ui  

di  di  

gL,gR!

gL,gR!

Z  boson  

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    12/1/10   12  

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The  CKM  Matrix      (see  Lecture  11)  

Flavour-­‐changing  couplings  of  W  bosons  are  described  by:  

λ =  0.226±0.001,  Α  =  0.81±0.02,    ρ  =  0.14±0.03,    η  =0.35±0.02  measured  values  (free  parameters  in  the  Standard  Model)    

Diagonal  elements  are  close  to  1.      Vub  &  Vtd  are  very  small.    

+  O(λ4)  

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    12/1/10   13  

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Neutrino  Mixing      (see  Lecture  14)  ν3  

ν1  

ν2  

“Normal”  mass  hierarchy  

ντ νµ νe  

θ12  =  (34.5±1.2)o,  θ23  =  45o,    θ13  <  13o      measured  values    (angles  and    phase  δ  are  free  parameters  in  Standard  Model)    

Leads  to  neutrino  flavour  oscilla$ons  

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    12/1/10   14  

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Mysteries  of  the  Bosons  

•  Electromagne$c  and  weak  interac$ons  are  unified  at  the  Electroweak  scale  v=246GeV.    

•  Is  there  a  “grand  unified”  scale  where  the  strong  interac$on  is  also  included?    

•  What  is  the  mechanism  that  breaks  electroweak  symmetry,  and  how  does  it  explain  the  large  masses  of  the  W  and  Z  bosons?  

•  Are  there  0,  1  or  many  Higgs  bosons?  

•  What  are  the  masses  and  couplings  of                Higgs  bosons?  

•  How  do  we  include  gravity?  

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    

H0    ?  Higgs  Mass=?  

12/1/10   15  

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Electroweak  Theory      (see  Lectures  15  &  16)  

•  Electroweak  unifica$on  scale:              v  =  2MW  =  246  GeV                                                                                                                                                        gL  

•  Electromagne$c  and  weak  couplings  are  related  by:                                                                            e  =  gL  sin  θW                (Weinberg  angle  sin2  θW  =  0.2221)  

•  W  and  Z  boson  masses  are  related  by:                                                                  MW  =  MZ  cos  θW        (MW  =  80.42  GeV,  MZ  =  91.19  GeV)  

•  Standard  Model  explana$on  is  that  v  is  the  “vacuum  expecta$on  value”  of  a  Higgs  field  which  has  one  Higgs  boson  associated  with  it.  

•  Experimental  bounds  on  Standard  Model  Higgs  boson  mass:                                                  115  <  MH  <  163  GeV    (from  LEP  &  Tevatron)    

Par$cle  Physics        Lecture  1        Steve  Playfer    12/1/10   16  

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Beyond  the  Standard  Model    (Lecture  17)  •  Composite  models  of  fermions  and  bosons  

•  Mul$plets  of  Higgs  bosons        

•  Supersymmetric  partners  (SUSY):                S=0  squarks    and  sleptons              S=1/2  neutralinos,  charginos,  higgsinos      

•  Grand  unified  theories  (GUTs)  of  strong/electroweak              GUT    scale  1011-­‐  1016  GeV              New  leptoquark  couplings  

•  Heavy  neutrino(s)  at  GUT  scale    can  explain  neutrino  oscilla$ons              and  light  neutrino  masses  (“seesaw”  mechanism)    

•  What  about  gravity?        (strings,  branes,  supergravity…)              Planck  scale  1019  GeV  is  where  quantum  gravity  effects  become  strong  

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The  Dark  Side        

•  WMAP  measurements  of  cosmic  microwave  background  fluctua$ons  tell  us  only  4.6%  of  the  universe  is  atoms  (baryons).      

•  To  account  for  rota$on  curves  of  galaxies,  gravita$onal  lensing  and  large  scale  structure  need:  

                           23.3%    “Dark  Ma[er”  

         Must  be  weakly  interac$ve  massive  par$cles  (WIMPs)  

         Best  candidate  would  be  the  lightest  SUSY  neutralino  

•  To  account  for  accelera$on  of  expansion  of  the  universe  need:  

                           72.1%    “Dark  Energy”  

         Either  introduce  a  cosmological  constant    Λ          Or  a  new  field  theory  (“quintessence”)  

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