ΤΟ ΜΠΟΖΟΝΙΟ Ζ

1. ΤΟ ΜΠΟΖΟΝΙΟ Ζ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΓΙΩΡΓΟΣ Α.Ε.Μ. 12077 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010

2. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ • ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΙΣΤΟΡΙΚΑ • ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΤΟΥ ΜΠΟΖΟΝΙΟΥ Ζ • ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ • ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ Ζ • ΔΙΑΣΠΑΣΕΙΣ ΤΟΥ Ζ • BRANCHING RATIOS • ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ Ζ • ΓΩΝΙΑ WEINBERG • ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

3. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΠΟΖΟΝΙΟΥ Ζ : • Φορέας της ασθενούς αλληλεπίδρασης (μαζί με τα W ) • Μποζόνιο βαθμίδας (spin=1) • Ηλεκτρικά ουδέτερο • Μάζα περίπου 91GeV (90 φορές μάζα πρωτονίου) • Βραχύβιο  ζει μόλις 10 sec • Δεν μετέχει στη αλλαγή της γεύσεως των κουαρκ

4. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΛΙΓΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΣΘΕΝΕΙΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ: • Λόγω μεγάλης μάζας φορέων μικρή εμβέλεια των αλληλεπιδράσεων: (1% της ακτίνας του πρωτονίου). • Υπεύθυνες για την β- διάσπαση και για φαινόμενα όπως η σύντηξη στο εσωτερικό του ήλιου. • Παραβιάζουν σχεδόν όλες τις συμμετρίες (π.χ. parity).

5. ΙΣΤΟΡΙΚΑ • MAXWELL: Ενοποίηση ηλεκτρισμού-μαγνητισμού (ηλεκτρομαγνητισμός). • GWS (1967): Απέδειξαν ότι οι Ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις και οι Ασθενείς αλληλεπιδράσεις αποτελούν διαφορετικές όψεις των Ηλεκτρασθενών Αλληλεπιδράσεων. • ΠΡΟΒΛΗΜΑ: Θεωρία με αβαρή μποζόνια! • ΛΥΣΗ: Higgs (1964) είχε προτείνει έναν μηχανισμόο οποίος επέτρεπετη δημιουργία μαζών για τα σωματίδια αυτά.

6. ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΠΙΒΕΒΑΙΩΣΗ??? • Gargamelle Bubble Champer (CERN,1973): Παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά τα ουδέτερα ασθενή ρεύματαπου οφείλονται στο Ζ. • FERMILAB (CHICAGO,1974): Επιβεβαίωση παρατηρήσεων του CERN. • ΑΡΧΕΣ ’80: Nέοι συγκρουστήρες δεσμών p-pbar στο CERN και στο FERMILAB, προσέφεραν τις αναγκαίες ενέργειες για την παραγωγή των βαρέων μποζονίων-φορέων. • 1983: Ανακάλυψη του W, 6 μήνες μετά του Ζ (Super Proton Synchrotron~700GeV, ανιχνευτές UA1,UA2). • 1984: Βραβείο Nobel οι Carlo Rubbia και Simon van der Meer.

7. Ο επιταχυντής και οι εμπνευστές του….

8. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ Ζ Το μποζόνιο Ζ παρατηρήθηκε πρώτη φορά μέσω των παρακάτω διαδικασιών παραγωγής και διάσπασης: u+ubar  Z e + e , μ + μ d+dbar

9. ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥ Ζ Τα παρατηρούμενα γεγονότα παραγωγής Ζ (από ppbar)και διάσπασης του σε e+ e-, είναι: όπου σ(ppbarZx) είναι η ενεργός διατομή παραγωγής του Ζ, η ολοκληρωμένη φωτεινότητα (στη μονάδα του χρόνου), το Branching ratio του Ζ σε e+e-, ε η απόδοση του ανιχνευτή και Α ένας παράγοντας γεωμετρίας.

10. ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥ Ζ Επομένως η ενεργός διατομή παραγωγής του Ζ προκύπτει ίση με: είναι της τάξης του 0,1nb με τις ενέργειες της εποχής εκείνης (δέκα φορές μικρότερη από αυτή του W)και περιγράφεται από μια καμπύλη συντονισμού Breit-Wigner.

11. Μια μικρή παρουσίαση του επιταχυντή LEP…. (Large Electron Positron Collider) Χρόνος: 1989 - 2000 Θέση:CERN, Ελβετία Περιφέρεια:27 Km Σωμάτια:ηλεκτρόνια-ποζιτρόνια Ενέργεια δέσμης:45GeV – 104.5GeV Λαμπρότητα:1031-1032 cm-2sec-1 Πειράματα:ALEPH,DELPHI,L3,OPAL Χαρακτηριστικά:καθαρό περιβάλλον(μικρός σχετικά αριθμός φορτισμένων τροχιών, ελάχιστη ραδιενεργός ακτινοβολία)

12. ΔΙΑΣΠΑΣΕΙΣ ΤΟΥ Ζ Χωρίζονται σε λεπτονικές: (όπου l λεπτόνιο και lbar το αντίστοιχο αντισωμάτιο) και αδρονικές διασπάσεις:(όπου q κουαρκ, qbar αντικουαρκ και g γκλουόνιο)

13. Περί ανιχνευτών…. Ένας σύγχρονος ανιχνευτής αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό επιμέρους ανιχνευτών διαφορετικών ειδών, από τους οποίους κάθε είδος έχει ένα καλώς καθορισμένο καθήκον στη διαδικασία ανίχνευσης.

14. Ο ανιχνευτής ALEPH: Αποτελεί τυπικό παράδειγμα ενός σύγχρονου ανιχνευτή με τους διάφορους τύπους ανιχνευτών να διακρίνονται στην εικόνα: (Τα γεγονότα που παρουσιάζονται στη συνέχεια είναι από τον συγκεκριμένο ανιχνευτή.)

15. Γεγονότα Ζ→ e+e- : Δύο αντίθετα φορτισμένες τροχιές που σχηματίζουν γωνία 180 μοιρών. Η μετρούμενη ενέργεια είναι κοντά στη διαθέσιμη ενέργεια και έχουν αφήσει ίχνη μόνο στο Η/Μ Θερμιδόμετρο. Η/Μ Θερμιδόμετρο Ανιχνευτής Τροχιών

16. Γεγονότα Ζ→ μ+μ- : Δύο αντίθετα φορτισμένες τροχιές που σχηματίζουν γωνία 180 μοιρών. Η μετρούμενη ενέργεια είναι κοντά στη διαθέσιμη ενέργεια και έχουν αφήσει ίχνη στο Αδρονικό Θερμιδόμετρο και στους Μυονικούς Θαλάμους.

17. Γεγονότα Ζ→ τ+τ- : Δυσκολότερη η ανίχνευση των γεγονότων, διότι τα γεγονότα δεν είναι τόσο καθαρά όσο στις προηγούμενες περιπτώσεις. Συνήθως, έχουμε:

18. Γεγονότα Ζ→αδρόνια (q qbar jets) Πολλές φορτισμένες τροχιές (συνήθως περισσότερες από 6) οι οποίες δεν βρίσκονται ισότροπα κατανεμημένες στο χώρο αλλά καταλήγουν σε 2 ή 3 πίδακες (jets) , σπανίως και περισσότερους. Έχουμε ίχνη σε όλους τους υπό-ανιχνευτές.

19. BRANCHING RATIOS (BR): • Από τις μετρήσεις των διαφόρων ενεργών διατομών μπορούμε να καθορίσουμε τα BR για το Ζ, καθώς και το συνολικό πλάτος αλλά και τα επιμέρους πλάτη, αφού ισχύει η σχέση: (π.χ. για τη διάσπαση Ζe+e-) • Για την περίπτωση Z →νν̄ , που δεν μπορούμε να την μετρήσουμε απευθείας μπορούμε να πάρουμε πληροφορίες από:

20. BRANCHING RATIOS (BR): • Τα αποτελέσματα των BR είναι τα εξής:

21. Z LINESHAPE AND NEUTRINOS • Όσο περισσότερα τα λεπτόνια • στα οποία μπορεί να διασπαστεί • το Ζ τόσο πιο εύκολο είναι • «να πεθάνει». • Άρα τόσο πιο μικρό χρόνο ζει. • Γνωρίζουμε ότι:

22. Z LINESHAPE AND NEUTRINOS 1989-1995, CERN: O επιταχυντής LEP μέτρησε πάνω από 4 εκατομμύρια διασπάσεις του Ζ. Ο αριθμός των οικογενειών των νετρίνων υπολογίστηκε: Nν = 2,9841± 0,0083.

23. ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ Ζ • Από τις διασπάσεις του: 1)Λεπτονικές διασπάσεις (κυρίως e ) 2)Σε συγκρούσεις δεσμών e+ e- (π.χ. LEP)από τη μέτρηση της ενεργού διατομής 3)Αδρονικές διασπάσεις • Αυτή τη στιγμή η μάζα του Ζ έχει υπολογιστεί 91,187 GeV

24. ΓΩΝΙΑ WEINBERG (θ) Η Λαγκρανζιανή που περιγράφει τις ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσειςείναι: • Διανυσματικό πεδίο  Αφορά τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. • Βαθμωτό πεδίο  Αφορά τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. • Ο λόγος των συζεύξεων των και ισούται με την εφαπτομένη της γωνίας Weinberg, δηλαδή:

25. ΓΩΝΙΑ WEINBERG (θ) • Γνωρίζουμε ότι η σύζευξη για το ηλεκτρομαγνητικό ουδέτερο ρεύμα είναι e. • Η γωνία Weinberg σχετίζεται με τη σύζευξη e ως εξής: • H γωνία Weinberg μας δίνει πληροφορίες και για τις μάζες των μποζονίων του προτύπου GWS αφού έχει αποδειχτείότι:

26. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ • Εισαγωγή στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών Donald H. Perkins • The Physics of the Z and W Bosons R. Tenchini, C.Verzegnassi • Στοιχειώδη Σωμάτια Α. Νικολαΐδης • Review of final LEP results J. Drees • Measurement of W and Z Boson production and Branching Ratios at CDF William F. Badgett • The number of neutrinos and the Z line shape Alain Blondel • www.cerncourier.com • www.wikipedia.com