Schwere Eichbosonen

1. SchwereEichbosonen Seminarvortrag im Rahmen des F-Praktikums 4.12.2006 Norbert Braun Johannes-Gutenberg Universität Mainz

2. Inhalt • Motivation • Historischer Überblick • Produktion von schweren Eichbosonen • Zerfallskanäle der Bosonen • Nachweis von Bosonen • LEP: ALEPH • TEVATRON • Zusammenfassung

3. Was sind W± , Z –Bosonen? • Virtuelle Teilchen • Reelle Elementarteilchen • Spin 1 Teilchen • Besitzen eine Masse • Z-Boson elektrisch neutral • W+, W- elektrisch geladen

4. Warum sind Sie so wichtig? • Aus Präzisionsmessung folgen Aussagen über das Standardmodell: • Masse als unabhängiger Parameter • Anzahl der Leptonengenerationen • Präzises Messen der Konsistenz des Standardmodells ⇒Sind Erweiterungen nötig?

5. Historischer Hintergrund • 1957: J. Schwinger: Erster Versuch einer elektroschwachen Theorie. • 1967/68: Modell der elektroschwachen WW von Weinberg, Glashow, Salam • 1973 Nachweis der Z-Bosonen als neutraler Strom • Streuexperimente mit Neutrinos • 1983 Erstmaliger Nachweis reeller W, Z Bosonen am CERN • 1983 Inbetriebnahme TEVATRON (Fermilab) später auch Produktion von schweren Eichbosonen möglich

6. Historischer Hintergrund • 1989 Inbetriebnahme des LEP • Bis 1995 Betrieb des LEP bei einer Schwerpunktsenergie von 91 GEV • Ab 1995 Stufenweise Erhöhung der Strahlenergie bis zur Ermöglichung von W-Paar Erzeugung • 2000 Ende der Laufzeit des LEP • Vorauss. Ende 2007 – Erster Probelauf des LHC am CERN

7. Produktion von reellen Bosonen • Z0 – Boson: • Mittels Kollision von: • Elektron und Positron • Benötigte Schwerpunktsenergie: • Proton und Antiproton ( bzw. Quark, Antiquark ) • Kollision von Protonen • Benötigte Schwerpunktsenergie:

8. Produktion von reellen Bosonen • W± – Bosonen: • Paarerzeugng mittels Kollision von Elektron und Positron: Benötigte Schwerpunktsenergie:

9. Produktion von reellen Bosonen • Erzeugung einzelner W± durch Kollision von Proton und Antiproton: • Nur geringe Strahlintensitäten möglich, da sich Antiprotonen nur in • geringer Zahl erzeugen lassen.

10. Zerfallskanäle • Z – Boson: • Leptonische Zerfälle: Z → Lepton + Antilepton • Hadronische Zerfälle: Z → Quark + Antiquark

11. Nachweis von Z-Bosonen am CERN 1983 (SPS) • Beobachtet wird ein hochenergetisches e+e- Paar. • Lepton und Anti-lepton fliegen in entgegengesetzter Richtung auseinander • Auftragen der Energie der gestreuten Leptonen über die Wnkel liefert sog. „LEGO-Diagramm“

12. Antilepton + Neutrino lepton + Antineutrino W + W - Jeweils 3 gleichberechtigte Quarks unterschiedlicher Farbe möglich. Zerfallskanäle • W± – Boson: • Wegen seiner hohen Masse ist die Erzeugung eines Top-Quarks nicht möglich. • Erwartete Zerfallsverhältmisse : • Leptonische Zerfälle 3 * 1/9 • Hadronische Zerfälle 2 * 3 * 1/9

13. Hadronische Zerfälle der W-Bosonen • Entstehende Quarks können nicht frei existieren • Hadronisierung führt zum Entstehen mehrerer Teilchen • Dadurch treten Jets in Richtung des Quarks auf • Quarks als quasifreie Teilchen senden harte Gluonen als Bremsstrahlung aus. • Entstehung der Hadronen • Zerfall kurzlebiger Hadronen in z.B. Leptonen und Photonen

14. Massenbestimung des W - Bosons Annahme W+ wird in Ruhe erzeugt und zerfalle anschließend wie folgt: Für den Transversalimpuls des Positrons gilt: Der Wirkungsquerschnitt berechnet sich nach:

15. Massenbestimung des W - Bosons • Der Wirkungsquerschnitt hat ein Maximum bei: • Verteilung der transversalen Masse: • Der Zusammenhang zwischen • Transversal Impuls und • Masse ist gegeben durch: Masse des W – Bososns:

16. CERN • Elektronen und Positronen wurden aus (älteren) Beschleunigern in LEP eingespeist. • Beim Eintritt hatten die Teilchen bereits 22 GeV • LEP konnte sie bis zu 104 GeV beschleunigen → genug um W+W- Paar zu erzeugen • 4 Detektoren

17. LEP • Mit einer Länge von ca. 27 km der größte bisher gebaute Beschleuniger • Lief zwischen August 1989 und November 2000 • Beschleunigt wurden Elektronen und Positronen

18. Eigenschaften des ALEPH Detektors • Fast komplette Raumwinkelabdeckung • Gute Spurrekonstruktion für geladene Teilchen • Gute Impulsauflösung • Auflösung einzelner Teilchen in Jets ist möglich

19. Siliziumstreifendetektor zur Ortsauflösung Nachweis und Energiemessung von Photonen und Elektronen Driftkammer zur Ortauflösung Vermessen des Energieverlusts geladener Teilchen Experimentelle Signaturen am Beispiel des ALEPH - Detektors

20. Nachweis und Identifizierung von Myonen Ablenkung geladener Teilchen zur Unterscheidung und Impulsmessung Nachweis von Schauern stark wechselwirkender Teilchen Experimentelle Signaturen am Beispiel des ALEPH - Detektors

21. ⇒ Detektorkomponenten • Luminositätsmonitore: Die Luminosität wird hier über den bekannten Wirkungsquerschnitt der Bhabha Ereignisse ( ) gemessen.

22. Signaturen der Z-Ereignisse • leptonisches Ereignisse (hier: Z → e+ e-) http://

23. Signaturen der Z-Ereignisse • hadronische Ereignisse (Z → q + Anti-q):

24. Signaturen der W±-Ereignisse • Leptonischer Zerfall: • Anteil von ca. 10% • e und μ direkt, τ über • Zerfallsprodukte identifizierbar • Neutrinodetektion nicht möglich • ⇒ ca. die Hälfte der Energie fehlt

25. Signaturen der W±-Ereignisse • Leptonischer Zerfall: • Anteil von ca. 10% • e und μ direkt, τ über • Zerfallsprodukte identifizierbar • Neutrinodetektion nicht möglich • ⇒ ca. die Hälfte der Energie fehlt • Semileptonischer Zerfall: • Ein W zerfällt leptonisch, das andere hadronisch • Beobachtet werden zwei Jets und ein Lepton, das Neutrino ist nicht nachweisbar! • Häufigkeit dieser Zerfälle liegt bei ca. 44%

26. W± : Semileptonische Ereignisse

27. Signaturen der W±-Ereignisse • Leptonischer Zerfall: • Anteil von ca. 10% • e und μ direkt, τ über • Zerfallsprodukte identifizierbar • Neutrinodetektion nicht möglich • ⇒ ca. die Hälfte der Energie fehlt • Semileptonischer Zerfall: • Ein W zerfällt leptonisch, das andere hadronisch • Beobachtet werden zwei Jets und ein Lepton, das Neutrino ist nicht nachweisbar! • Häufigkeit dieser Zerfälle liegt bei ca. 44% • Hadronischer Zerfall: • Beobachtet werden vier Jets ⇒ Nahezu gesamte Energie nachweisbar • Häufigkeit dieser Zerfälle liegt bei ca. 46%

28. W± : Rein hadronische Ereignisse

29. TEVATRON • Teil des Fermilab (USA, bei Chicago) • Umfang 6,5 km • Seit Inbetriebnahme 1983 mehrmals aktualisiert • Maximalenergie bei 980 GeV • beschleunigt Protonen / Antiprotonen • bisher energiereichster Beschleuniger der Welt

30. TEVATRON • Die Produktion von W und Z Bosonen erfolgt durch Kollision von Quark und Antiquark • Diese stammen aus kollidierenden Protonen / Antiprotonen • Bei der Kollision werden durch die übrigen Quarks noch weitere Teilchen außer den schweren Eichbosonen erzeugt. • Breites Spektrum an Experimenten, z.B. Nachweis des top-Quark oder Suche nach Hinweisen auf Higgs-Boson

31. Anzahl der Leptonengenerationen • Betrachte zunächst die Breit-Wigner-Formel: mit: • Betrachte Formel für für obige Breit-Wigner-Formel ergibt sich somit: • Schließlich erhält man die Struktur einer Resonanzkurve:

32. Anzahl der Leptonengerationen • WQ für Energien um die Schwerpunktsenergie bei der Reaktion e+e- → Z0 → Hadronen • Wenn es eine vierte Leptonengeneration gäbe, müsste Γz größer sein • Eine vierte Leptonen-generation kann mit einer Konfidenz von über 99,9% ausge-schlossen werden

33. -Direkte Messung - Indirekte Messung Messergebnisse für W • Halbwerts- breite Гw = 2.06(7) GeV

34. Messergebnisse für Z • Halbwerts- breite ГZ = 2.490(7) GeV

35. Zusammenfassung • W/Z-Bosonen sind die Austauschteilchen für die schwache Wechselwirkung • Sie lassen sich als reelle Teilchen aus e+e- (LEP) und aus Quark-Antiquark-Kollisionen (TEVATRON und SPS) erzeugen • Ihre Massen und Halbwertsbreiten sind Parameter des Standardmodells • Die Größe der Massen ist dafür verantwortlich, daß die schwache WW so niedrige Wirkungsquerschnitte und Reichweiten aufweist.

36. Literaturverzeichnis • http://www.physik.uni-siegen.de • http://aleph.web.cern.ch • Manfred Kröcker „Messung der Masse und des Produktionswirkungsquerschnittes von W-Bosonen in hadronischen Ereignissen der e+ e- Vernichtung bei LEP 2“ Dissertation Universität Mainz 1998 • Lothar A. T. Bauerdick „Messung der Resonanzkurve des Z-Bosons in der Elektron-Positron-Vernichtung mit dem ALEPH-Detektor“ Dissertation Universität Mainz 1990 • Demtröder „Experimentalphysik 4“ Springer Verlag • Povh Rith Scholtz Zetschke „Teilchen und Kerne“ Springer Verlag