Eines der Experimente am LHC, CMS, hat schon ein altbekanntes Teilchen wiederentdeckt: Das neutrale Pion π0. Aus den ersten Minuten an Daten haben sie es schnell rekonstruieren können. Das geschieht natürlich nur als Bestätigung, dass die Kiste auch so arbeitet wie man es sich denkt. Aus den früheren Kollision Ende letzten Jahres bei niedrigeren Energien konnte man es so finden.

Das sind jetzt auch die ersten Aufgaben des schnellen LHC: Die Teilchen wiederfinden, die man schon kennt. So erhält man noch mehr Vertrauen in die korrekte Funktion und bestätigt frühere Resultate (schließlich weiß man ja eigentlich nicht, dass Pionen bei höheren Energien genau gleich entstehen, auch wenn das gewaltig unwahrscheinlich wäre).

Das π0 wurde zuerst 1950 von Bjorklund an einem Synchrozyklotron nachgewiesen. Das 184-inch-Synchrozyklotron in Berkeley arbeitete seit 1948 bei 350 MeV, ein direkter Vorfahr des Synchrotrons, dem Design das auch der LHC hat. 3 Jahre vorher hatte man die elektrisch geladenen Pionen entdeckt, theoretisch hatte sie Hideki Yukawa aber bereits 1935 vorgeschlagen als Träger der Kernkraft, die Atomkerne zusammenhält. Ich kann immer wieder nur staunen, wenn wie hier theoretische Physiker ganze 15 Jahre vor den Experimentalisten ein Teilchen vorhersagen!

Ein Pion ist das leichteste Meson. Mesonen sind aus nur zwei Quarks zusammengesetzt im Gegensatz zu den Baryonen. Da die sogenannte Farbladung aufgehen muss, muss es ein Quark und ein Antiquark sein. So erreicht man mit up-anti-up oder mit down-anti-down das neutral geladene π0, man schreibt es als Mischung dieser beiden Möglichkeiten hin.

Wie alles außer dem Proton ist das Pion nicht stabil und zerfällt in zwei Photonen. Wenn man die Masse dieser gleichzeitig ausgesandten Photonen aufaddiert, dann muss die invariante Masse des Pions, 116 MeV, herauskommen.
Et voila:

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Kommentare (15)

  1. #1 Engywuck
    03/31/2010

    nett, sowas mal “nebenbei” aus Beobachtungen der ersten Minuten zu finden 🙂 Wobei das ja auch schon “run 132440” war – Bjorklund hat sicher länger gebraucht, aber dafür auch weniger als hunderttausend Läufe 😀

    Bei den 15 Jahren bitte nicht ein gewisses einschneidendes Ereignis vergessen…

  2. #2 Ulrich Berger
    03/31/2010

    Mannomann, was die da rein pumpen. Na hoffentlich gehen ihnen nicht die Protonen aus…

  3. #3 cer
    04/01/2010

    Warum eigentlich 116 MeV und nicht 135 MeV (= Ruhemasse von π0 ) ?

  4. #4 r
    04/01/2010

    hm hat das pi0 nicht eigentlich ne masse von 135 MeV? liegt zwar bei 10% fehler immer noch im 3 sigma bereich des ergebnisses, vielleicht kann ja ein teilchenphysiker erklären warum man das dann auch (anscheinend) ohne sehr gute statistik anschaut bzw. ob und was ich hier falsch verstehe…

  5. #5 Jörg
    04/01/2010

    Huch, das ist mir gar nicht aufgefallen. Aber sie schreiben

    “This is essentially an online plot, before making a few corrections due to clustering/containment”

    Sonst habe ich jetzt keine Idee woher das kommt.

  6. #6 Ludmila
    04/01/2010

    Äh, könnte es daran liegen, das noch nicht die Bewegungsenergie herausgerechnet wurde? Die 135 MeV sind ja Ruhemasse. Wir sind aber immer noch im relativistischen Bereich hier. Oder nicht?

  7. #7 nihil jie
    04/01/2010

    ja die bewegungsenergie vielleicht und auch die bindungsenergie die frei geworden ist nach dem das π0 in zwei photonen zerfallen ist. ich bin kein physiker aber ich denke diese energie muss auch in die rechnung 😉 habe ich in der schule aufgepasst oder nicht ? *lach

  8. #8 Thomas
    04/01/2010

    Die Bewegungsenergie betrug doch pro Strahl 3,5 TeV, also ca. eine Größenordnung mehr als die Ruheenergie, oder? Ich denke, es ist eher die Bindungsenergie (“Clustering”), die hier eine Abweichung bringt. Was ist mit “Containment” gemeint? Umgebungsbedingungen?

  9. #9 Thomas
    04/01/2010

    Die Bewegungsenergie betrug doch pro Strahl 3,5 TeV, also einige Größenordnungen mehr als die Ruheenergie, oder? Ich denke, es ist eher die Bindungsenergie (“Clustering”), die hier eine Abweichung bringt. Was ist mit “Containment” gemeint? Umgebungsbedingungen?

  10. #10 schnablo
    04/01/2010

    Hier (http://www.scientificblogging.com/quantum_diaries_survivor/7_tev_collisions_lhc) sagt jemand vom CMS, dass die Geraete einfach nicht hinreichend kalibiriert sind.

  11. #11 Paul
    04/02/2010

    Die Beschriftung “Invariant Mass of Photon Pairs” gibt an, dass hier die invariante Masse des zwei Photon Systems aufgetragen ist. (Soweit die einfache Übersetzung) Das Invariante an dieser Masse ist grade, dass sie in allen Bezugssystemen (also bewegten wie ruhenden) gleich ist. Die invariante Masse ist damit die Ruhemasse des zerfallenden Pions.
    Mein Verdacht, warum das nicht da ist, wo das Pion sein sollte, ist dass die Kalorimeter noch nicht kalibriert sind und die Kalibrierungsunsicherheit im angegebenen Fehler auf den Mittelwert nicht berücksichtigt ist.

  12. #12 Michael Schmitt
    04/06/2010

    Es stimmt, dass 116 MeV nicht die richtige Werte für den pi-zero Meson ist, und ich kann das kurz erklären, aber lieber auf Englisch.

    First: this is an invariant mass, so the value does not depend on the energy of the pi-zero, in principle. This mass is an invariant, like electric charge, and it does not matter whether the pi-zero is produced with a small kinetic energy, or a very large one.

    The CMS value for the mass is too low because of thresholds imposed on the readout of the electromagnetic calorimeter. The electromagnetic calorimeter is the principal device for measuring photon energies and positions. A single photon causes a cascade or “shower” inside the calorimeter which extends over several components called “towers”. If the energy deposited in one of those towers is below the threshold, then the energy is not recorded. We must impose thresholds in order to keep the size of the data to a manageable level. This small loss of energy has a noticeable effect for these fairly low-energy photons from pi-zero decays, but the effect for more important signals, such as Higgs decays to two photons, is very small, even negligible. Furthermore, the thresholds are imposed on simulated data in exactly the same way as for real data, with the same result – the peak mass is about 20 MeV too low, confirming our understanding of this systematic effect, and also the correct calibration of the electromagnetic calorimeter. The CMS Collaboration could have applied a correction to the observed mass based on a study of these simulated data, but chose not to do so at this time.

    Ich hoffe, das erklärt die Lage, gewissermassen… 😉

  13. #13 Jörg
    04/06/2010

    @Michael: Danke, ich hatte schon gehofft dass du das aufklären kannst. Das hat schon was für sich, dass so läppische Energien wie für Schauer aus Photonen aus dem Pion abgeschnitten werden, das muss ich mir merken als gute Geschichte für den Fortschritt der Beschleuniger.

  14. #14 Manfred Rennings
    02/04/2011

    Was ist Pi0??

    15 15

  15. #15 Jörg
    02/05/2011

    Wie im Artikel beschrieben, ist das Pi 0 ein elektrisch neutral geladenes Teilchen aus (up)-Quark und Antiquark; quasi wie ein leichterer Cousin des Protons und Neutrons.