Günther Dissertori CERN , EP-Division Lehrer Seminar Februar 2000

Präsentation zum Thema: "Günther Dissertori CERN , EP-Division Lehrer Seminar Februar 2000"—  Präsentation transkript:

1 Günther Dissertori CERN , EP-Division Lehrer Seminar Februar 2000
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 Beschleuniger-Infrastruktur
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 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): Proton 1 Proton 2 G. Dissertori

6 Warum so gross? Abzudeckender Energiebereich sollte sein:
90 GeV > 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 bedeutet Vereinheitlichung von Wechselwirkungen?
G. Dissertori

8 Was charakterisiert eine Wechselwirkung?
Kopplungskonstante=Stärke Reichweite 50-60iger Jahre: 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 = ? 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 Austausch des ersten Teilchens mit Masse=0, Kopplung g1:
Fouriertrafo P = Prozesswahrscheinlichkeit V = Potential Austausch des zweiten Teilchens mit Masse=Mz, Kopplung g2: Fouriertrafo G. Dissertori

11 Vereinheitlichung: Es gibt “Verbindung” zwischen den Kopplungen, und g1  g2
Fall : Mz sehr gross, d.h. Mz >> ECM Fall : ECM > Mz 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 Deshalb z.B. : Radioaktiver Zerfall selten...
down-quark Neutrino n up down Proton 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 Die Reaktion e+e- -> g/Z -> X
Zu vermessen: Form der Resonanz Zerfallsraten für verschiedene Endzustände Was sind nun die möglichen Zerfallskanäle? Z “Weglänge”  2 x m 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 sec --> zerfallen nach 87 mm in Elektronen oder Muonen oder Hadronen Neutrinos G. Dissertori

18 t+t- : Tau Produktion t- t+ nt e+ u W- d Z W+ e- m+ nm Pions,Kaons
t Lebensdauer  3 x 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:  10-15 m
Up, Down, Strange, Charm, Beauty (nicht Top, weil zu “schwer”)  m G. Dissertori

21 Eines der interessantesten Quarks : b (Beauty/Bottom)
Pion B - Meson up up down beauty Ersetze eines der d- Quarks durch ein b -Quark up down Proton up beauty B - Baryon Zerfallen schon nach 1.5 x 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 =2 (aus Theorie) G. Dissertori

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

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

29 Experimentell genau vermessen…
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 Interferenz-Struktur in Intensitätsverteilung
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... + + + ... Virtuelle Teilchen A1 A2 A3 e- e- Z Z Z e+
Top 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 Direkte Entdeckung am Fermilab :
Ergebnis: Mtop = /- 4.5 GeV/c2 Mhiggs = GeV/c2 Direkte Entdeckung am Fermilab : Mtop = /- 5.1 GeV/c2

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

35 W Produktion: e- W+ Z e+ W- e-
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
Bosonen Fermionen Spin 0,1,2, Spin 1/2, 3/2, … Jedes Teilchen hat supersymmetrischen Partner Elektron e Selektron e Photon g Photino g Symmetrie muss gebrochen sein, weil supersymmetrische Partner noch nicht gefunden… Massen > O(100 GeV) ??? G. Dissertori

40 Zusammenfassung The END
Beinahe 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