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7.2.2000G. Dissertori1 Die Physik bei LEP Günther Dissertori CERN, EP-Division Lehrer Seminar Februar 2000.

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1 G. Dissertori1 Die Physik bei LEP Günther Dissertori CERN, EP-Division Lehrer Seminar Februar 2000

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

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

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

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

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

7 G. Dissertori Kleiner Abstecher: Was bedeutet Vereinheitlichung von Wechselwirkungen?

8 Was charakterisiert eine Wechselwirkung? n Elektromagnetismus n Kopplung = elektr. Ladung = 1/137= n Reichweite = Potential 1/r n Schwache Wechselwirkung n Kopplung = Fermi-Konstante u G F n Reichweite 0 !! ( m) Potential = ? Kopplungskonstante =Stärke Reichweite 50-60iger Jahre: 2 völlig verschiedene Phänomene…. doch...

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

10 G. Dissertori Austausch des ersten Teilchens mit Masse=0, Kopplung g 1 : Fouriertrafo P = Prozesswahrscheinlichkeit V = Potential Austausch des zweiten Teilchens mit Masse=M z, Kopplung g 2 : Fouriertrafo

11 G. Dissertori Vereinheitlichung: Es gibt Verbindung zwischen den Kopplungen, und g 1 g 2 n Fall : M z sehr gross, d.h. M z >> E CM n Fall : E CM > M z 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...

12 Deshalb z.B. : Radioaktiver Zerfall selten... up-quark down-quark W+W+ e+e+ Neutrino up down Proton updown Neutron + e Zerfall Deshalb : Zur genauen Studie von Z,W in e + e - : E CM >= M z oder E CM >= 2 x M w

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

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

15 G. Dissertori e+e- : Bhabha_Streuung

16 G. Dissertori : Muon Produktion Lebensdauer 2 sec --> zerfallen erst ausserhalb des Detektors!

17 G. Dissertori : Tau Produktion Lebensdauer 3 x sec --> zerfallen nach 87 m in Elektronen oder Muonen oder Hadronen + Neutrinos Muon Pionen= Hadronen Neutrinos ? unsichtbar

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

30 Erinnern wir uns zurück an die Quanten-Mechanik - Vorlesung… Das Doppelspalt - Experiment Photonen - oder Elektronenquelle A1A1 A2A2 Interferenz-Struktur in Intensitätsverteilung QM gibt Wahrscheinlichkeitsverteilung für Aufprallort : P = | A 1 + A 2 | 2 = |A 1 | 2 + |A 2 | 2 + 2ReA 1 *A 2 Interferenz!! Essenz : Berücksichtige alle möglichen Wege, |summiere deren Amplituden| 2

31 Deshalb auch... e+e+ e-e- Quark Z Anti-Quark e+e+ e-e- Z Quark Anti-Quark Top Anti-top Z + A1A1 A2A2 e+e+ e-e- Quark Z Anti-Quark Higgs A3A E 2 m 2 + p 2 Summiere alle möglichen Wege, um zum selben Endzustand zu kommen

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

33 Ergebnis: M top = /- 4.5 GeV/c 2 M higgs = GeV/c 2 Direkte Entdeckung am Fermilab : M top = /- 5.1 GeV/c 2

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

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

36 G. Dissertori

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

38 G. Dissertori Direkte Suche bisher: m H > 103 GeV/c 2 Vorgangsweise: Zähle nach, ob es Überschuss von solchen Ereignissen gibt bzgl. der erwarteten Ereignisse (z.B. normale Produktion von 4 Quarks…) u u

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

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


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