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Die Physik bei LEP

Die Physik bei LEP. Günther Dissertori CERN , EP-Division Lehrer Seminar Februar 2000. Inhalt:. Warum wurde LEP gebaut? Vereinheitlichung von Wechselwirkungen Die Prozesse bei LEP Was haben wir gelernt? Anzahl der Neutrinos Präzisionsmessungen Vorhersage der Top Quark Masse …

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Die Physik bei LEP

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Presentation Transcript

  1. Die Physik bei LEP Günther Dissertori CERN , EP-Division Lehrer Seminar Februar 2000 G. Dissertori

  2. Inhalt: • Warum wurde LEP gebaut? • Vereinheitlichung von Wechselwirkungen • Die Prozesse bei LEP • Was haben wir gelernt? • Anzahl der Neutrinos • Präzisionsmessungen • Vorhersage der Top Quark Masse • … • Studien bei LEP2 G. Dissertori

  3. Warum wurde LEP gebaut? 27 km Umfang Teil der grossen Beschleuniger-Infrastruktur G. Dissertori

  4. Geschichte... • Anfang der 70iger Jahre: • Geburt der Elektro-Schwachen Theorie • Vorhersage der Z und W- Bosonen • Anfang der 80iger Jahre: Entdeckung beim SPS • Nun ging es darum, die Theorie genau zu vermessen • Und Suche nach neuen Teilchen: TOP,HIGGS,…. G. Dissertori

  5. Proton 2 Proton 1 Warum einen e+e- Collider? • e+e- Collider wesentlich besser geeignet zu Präzisionsmessungen, weil • Schwerpunktsenergie genau einstellbar • Uninteressante Untergrundprozesse selten • Reaktionsraten leichter zu berechnen, da die kollidierenden Teilchen “Punkt-Teilchen” sind • grosse Reaktionsrate vorhergesagt für e+e- -> X bei 91 GeV • Im Unterschied zu Proton Collidern (z.B. SPS, LHC): G. Dissertori

  6. Warum so gross? • Abzudeckender Energiebereich sollte sein: 90 GeV -----> 200 GeV um Z und W Teilchen produzieren zu können, und Entdeckungspotential gross zu halten • Synchrotronstrahlung muss reduziert werden, deshalb: grosser Radius G. Dissertori

  7. Kleiner Abstecher:Was bedeutetVereinheitlichung von Wechselwirkungen? G. Dissertori

  8. Elektromagnetismus Kopplung = elektr. Ladung a = 1/137=0.0073 Reichweite =  Potential 1/r Schwache Wechselwirkung Kopplung = Fermi-Konstante GF 10-5 Reichweite  0 !! (10-17 m) Potential = ? Was charakterisiert eine Wechselwirkung? Kopplungskonstante=Stärke Reichweite 50-60iger Jahre: 2 völlig verschiedene Phänomene…. doch...

  9. Betrachten nun WW zwischen e+ und e- Zeit e- e- e- e- g g g g e+ e+ e+ e+ Annahme:Es können 2 Teilchen ausgetauscht werden z.B. g und Z g = Kopplungskonstante

  10. Fouriertrafo Austausch des ersten Teilchens mit Masse=0, Kopplung g1: P = Prozesswahrscheinlichkeit V = Potential Austausch des zweiten Teilchens mit Masse=Mz, Kopplung g2: Fouriertrafo G. Dissertori

  11. Fall : Mz sehr gross, d.h. Mz >> ECM Fall : ECM > Mz Vereinheitlichung: Es gibt “Verbindung” zwischen den Kopplungen, und g1 g2 Bei niedrigen Energien erscheint WW 2 “punktförmig” und “schwach”, obwohl die Kopplungskonstanten ähnlich sind... Man muss also nur zu genügend hohen Energien gehen, sodass beide Prozesse gleich wahrscheinlich (=gleich “wichtig”) werden... G. Dissertori

  12. Proton up up down Deshalb z.B. : Radioaktiver Zerfall selten... e+ down-quark Neutrino n Neutron W+ + e+ + n up down down up-quark b - Zerfall Deshalb : Zur genauen Studie von Z,W in e+e-: ECM >= Mz oder ECM >= 2 x Mw

  13. Zu vermessen: Form der Resonanz Zerfallsraten für verschiedene Endzustände Was sind nun die möglichen Zerfallskanäle? Z “Weglänge”  2 x 10-18 m Die Reaktion e+e- -> g/Z -> X g Austausch Z Austausch G. Dissertori

  14. Z Zerfallskanäle: • Z -> e+e- (Bhabha-Streuung) • Z -> m+m- • Z -> t+t- • Z -> n Anti-n • Z -> Quark Anti-Quark G. Dissertori

  15. e+e- : Bhabha_Streuung G. Dissertori

  16. m+m- : Muon Produktion m Lebensdauer  2 msec --> zerfallen erst ausserhalb des Detektors! G. Dissertori

  17. t+t- : Tau Produktion Pionen= Hadronen Muon Neutrinos ? “unsichtbar” t Lebensdauer  3 x 10-13 sec --> zerfallen nach 87 mm in Elektronen oder Muonen oder Hadronen+ Neutrinos G. Dissertori

  18. nt e+ u t- W- Pions,Kaons d Z W+ t+ e- m+ nm nt t+t- : Tau Produktion t Lebensdauer  3 x 10-13 sec --> zerfallen nach 87 mm in Elektronen oder Muonen oder Hadronen+ Neutrinos G. Dissertori

  19. Quark-Paar Erzeugung Wir beobachten aber nicht Quarks, sondern Photonen, Leptonen, Hadronen (Pionen, Protonen, Neutronen) (Leptonen und Photonen stammen aus Hadron-Zerfällen) G. Dissertori

  20. Quark-Paar Erzeugung Erzeugte Quarks: Up, Down, Strange, Charm, Beauty(nicht Top, weil zu “schwer”)  10-15 m G. Dissertori

  21. B - Baryon Proton up up up up beauty down Eines der interessantesten Quarks : b (Beauty/Bottom) Pion B - Meson up up down beauty Ersetze eines der d- Quarks durch ein b -Quark Zerfallen schon nach 1.5 x 10-12 sec --> einige hundert mm ! (Zerfallen in leichtere Hadronen + Leptonen + Neutrinos) Wie kann man diese Zerfälle trotzdem “sehen”?

  22. Antwort:Durch sehr genaue Spur-Rekonstruktion!! IP=Haupt-Wechselwirkungspunkt Zoom 1 cm G. Dissertori

  23. Damit kann z.B. mittlere Lebensdauer gemessen werden….. G. Dissertori

  24. Weitere Frage: Wie misst man Wirkungsquerschnitte = Reaktionsraten? Effizienz = Anzahl der gemessenen Ereignisse Anzahl der produzierten Ereignisse aus Detektorsimulation…. Wirkungsquerschnitt Luminosität = Beschleunigerparameter, gibt “Strahlintensität”, prop. zu Strom und 1/Strahlgrösse Kalibrierung über Prozess, wo s genau bekannt aus Theorie -> Bhabha G. Dissertori

  25. Was haben wir gelernt?(ein paar Gusto-Stückerln) • Anzahl der leichten Neutrinos • Präzisionsvermessungen der Z Resonanz • Vorhersage der Top-Masse • … und der Higgs-Masse G. Dissertori

  26. Wie kann man Neutrinos messen, wenn sie “unsichtbar” sind? Die Produktionswahrscheinlichkeit für Hadronen = Z Zerfall Z Produktion G = Resonanzbreite Relative Anzahl von leptonischen zu hadronischen Ereignissen G. Dissertori =2 (aus Theorie)

  27. -> “einfaches” Zählexperiment… • Zähle hadronische Ereignisse • Zähle leptonische Ereignisse Wichtig fur Kosmologie!! G. Dissertori

  28. D = 2.3 x 10-5 !! D = 9.6 x 10-4 !! D = 8.9 x 10-4 !! D = 9.9 x 10-4 !! Präzisionsmessungen Weinberg-Winkel + eine Vielzahl von Observablen, deren Messungen alle in Übereinstimmung mit der Vorhersage des Standardmodells sind! G. Dissertori

  29. Wozu dienen solche Präzisionsmessungen?Beispiel : Vorhersage der Top - Masse Dazu betrachten wir wieder die Reaktion e+e- -> Hadronen... e- Quark Experimentell genau vermessen… Theorie berechnet Z e+ Anti-Quark Quanten - Prozess !! G. Dissertori

  30. Erinnern wir uns zurück an die Quanten-Mechanik - Vorlesung…Das Doppelspalt - Experiment Photonen - oder Elektronenquelle A1 Interferenz-Struktur in Intensitätsverteilung A2 QM gibt Wahrscheinlichkeitsverteilung für Aufprallort : P = | A1 + A2 |2 = |A1|2 + |A2|2 + 2ReA1*A2 Interferenz!! Essenz :Berücksichtige alle möglichen Wege, |summiere deren Amplituden|2

  31. Deshalb auch... A2 A1 Top e- e- Quark Quark + Z Z Z e+ e+ Anti-Quark Anti-top Anti-Quark A3 e- Quark Summiere alle möglichen Wege, um zum selben Endzustand zu kommen + + ... Higgs Z e+ Anti-Quark Virtuelle Teilchen E2 m2 + p2

  32. Also... Falls Messgenauigkeit hoch -> sensitiv auf diese Terme -> sensitiv auf Top und sogar Higgs-Masse G. Dissertori

  33. Ergebnis: Mtop = 173.2 +/- 4.5 GeV/c2 Mhiggs = 77 +69-39 GeV/c2 Direkte Entdeckung am Fermilab : Mtop = 174.3 +/- 5.1 GeV/c2

  34. Studien bei LEP2: • Ab November 95 wurde LEP Energie kontinuierlich erhöht: • 130 -> 136 -> 161 -> 172 -> 183 -> 189 -> 192 -> 196 -> 200 -> 202 -> 204 -> …. (max 206 ?) GeV • Interessant für : • W Produktion (ab 161GeV) : W Masse,Wirkungsquerschnitt.. • Suche nach • Higgs • Supersymmetrie • Überraschungen…?

  35. W Produktion: W Teilchen können nur paarweise erzeugt werden,weil geladen … -> deshalb mindestens 161 GeV benötigt! Quark Up e- W+ Anti-Quark Down Z e+ W- e- Anti-Neutrino Wichtig zur Bestimmung weiterer Parameter des Standardmodells G. Dissertori

  36. G. Dissertori

  37. Warum sind Z,W so viel massiver als g ?Woher kommen Teilchenmassen? • Erklärung : Weitere Ingredienz in Theorie des SM • Higgs - Mechanismus --> Higgs-Teilchen • Schlagwort : spontane Symmetriebrechung…. • Über Wechselwirkung mit dem Higgsfeld erhalten Teilchen Masse Beispiel : Margareth Thatcher

  38. Direkte Suche bisher: mH > 103 GeV/c2 Vorgangsweise: Zähle nach, ob es Überschuss von solchen Ereignissen gibt bzgl. der erwarteten Ereignisse (z.B. “normale” Produktion von 4 Quarks…) u G. Dissertori u

  39. Supersymmetrie: • Erweiterung des Standardmodells: es gibt Symmetrie BosonenFermionen Spin 0,1,2,.. Spin 1/2, 3/2, … • Jedes Teilchen hat supersymmetrischen Partner • Elektron eSelektron e • Photon gPhotino g • Symmetrie muss gebrochen sein, weil supersymmetrische Partner noch nicht gefunden… Massen > O(100 GeV) ??? G. Dissertori

  40. Zusammenfassung • Beinahe 1000 Publikationen der 4 LEP Experimente ALEPH, DELPHI, L3 und OPAL zeugen von der Reichhaltigkeit des Physikprogrammes bei LEP • Arbeiten noch nicht abgeschlossen • Hoffen noch auf die grosse Entdeckung… The END

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