GIM-Mechanismus

Zerfall eines K⁰-Mesons in ein Myon-Paar. Die beiden Feynman-Diagramme mit einem virtuellen Up-Quark und einem Charm-Quark haben entgegengesetzte Vorzeichen und heben sich daher nahezu auf. Die Faktoren sinθ_C> und cosθ_C> ergeben sich aus der Cabibbo-Mischung.

Der GIM-Mechanismus (nach Sheldon Lee Glashow, John Iliopolus, Luciano Maiani: 1970) der Teilchenphysik erklärt, warum durch die schwache Wechselwirkung Quarks gleicher Ladung nicht ineinander umgewandelt werden können (Abwesenheit von flavour-verändernden neutralen Strömen). Historisch gesehen war er der Grund, der zur Vorhersage des Charm-Quarks führte.

Man wusste damals, dass der Zerfallskanal $K^0\to {\mu }^{+}{\mu }^{-}$ ein sehr kleines Verzweigungsverhältnis hat, nämlich $\mathrm{\Gamma }(K^0\to {\mu }^{+}{\mu }^{-})/{\mathrm{\Gamma }}_{tot}(K^0)<1,5\cdot {10}^{-6}$ ^[1]. Dieses ist weit kleiner als damals erwartet wurde. Um zu erklären, warum der Zerfall so stark unterdrückt ist, führten Glashow, Iliopoulos und Maiani 1970 hypothetisch das Charm-Quark ein.

Dies hat zwei wichtige Effekte zur Folge: Zum einen wird durch die Kopplung des zum Wechselwirkungszustand $d^{\prime }$ orthogonalen Zustandes $s^{\prime }$ an das Charm-Quark eine Flavourveränderung in niedrigster Ordnung (tree-level) verhindert. Zum anderen induziert das Charm-Quark einen weiteren Zerfallskanal in höheren Ordnungen, der ununterscheidbar zum ersten ist, und somit mit diesem destruktiv interferiert. Diese Unterdrückung der flavour-verändernden neutralen Ströme wird als GIM-Mechanismus bezeichnet. Hiermit war eine Erklärung für das kleine Verzweigungsverhältnis gegeben.

Der erstmalige experimentelle Nachweis des Charm-Quarks (siehe J/ψ-Meson) gelang schließlich 1974 (SLAC-SP-017 Collaboration (J.E. Augustin et al. 1974) & E598 Collaboration (J.J. Aubert et al. 1974)). Mit dieser Vorhersage und der tatsächlichen Entdeckung des Charm-Quarks hat der GIM-Mechanismus zur Akzeptanz des Standardmodells der Elementarteilchenphysik beigetragen.

Literatur

• S. L. Glashow, J. Iliopoulos und L. Maiani: Weak Interactions with Lepton-Hadron Symmetry. In: Phys. Rev. D. Band 2, 1970, S. 1285–1292, doi:10.1103/PhysRevD.2.1285. 
• J. J. Aubert et al. (E598 Collaboration): Experimental Observation Of A Heavy Particle J. In: Phys. Rev. Lett. Band 33, Nr. 23, 2. Dezember 1974, S. 1404–1406, doi:10.1103/PhysRevLett.33.1404. 
• J. E. Augustin et al. (SLAC-SP-017 Collaboration): Discovery of a Narrow Resonance in e⁺e^- Annihilation. In: Phys. Rev. Lett. Band 33, Nr. 23, 2. Dezember 1974, S. 1406–1408, doi:10.1103/PhysRevLett.33.1406. 
• Jean Iliopoulos: Glashow-Iliopoulos-Maiani mechanism. In: Scholarpedia. Band 5, Nr. 5, 2010, S. 7125, doi:10.4249/scholarpedia.7125. 

Einzelnachweise