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Entdeckung der W/Z-Bosonen 20.01.2015 Kern- und Teilchenphysik Seminar.

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Präsentation zum Thema: "Entdeckung der W/Z-Bosonen 20.01.2015 Kern- und Teilchenphysik Seminar."—  Präsentation transkript:

1 Entdeckung der W/Z-Bosonen 20.01.2015 Kern- und Teilchenphysik Seminar

2 2 Übersicht MAGNETIC IMAGING INTERNATIONAL WORKSHOP | Bochum | 08. – 11. September 2009 1. Einführung Bosonen und schwache Wechselwirkung 2. Geschichtlicher Hintergrund 3. Theoretischer Hintergrund 4. Experimente zur Entdeckung von W/Z-Bosonen 5. Ausblick Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen

3 3 1. Einführung Materie & Elementarteilchen Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Geschichte I Theorie I Experiment Atila Jojart Quarks Leptonen Fermionen Bosonen http://de.wikipedia.org/wiki/Elementarteilchen

4 4 1. Einführung Schwache Wechselwirkung  W-Boson für geladene Ströme, Z-Boson für neutrale Ströme  Es sind keine gebundenen Zustände bekannt die sich durch schwache WW bilden können  ist verantwortlich für Zerfälle oder Umwandlungen der beteiligten Teilchen (Quarks und Leptonen) Beispiel: Atila Jojart Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Geschichte I Theorie I Experiment http://www.atlas.uni-wuppertal.de/oeffentlichkeit/WundZ-Teilchen.html

5 5 1. Einführung Beispiel Atila Jojart Leptonische Prozesse: nur Leptonen sind beteiligt http://de.wikipedia.org/ wiki/Myon Semileptonische Prozesse: Leptonen und Hadronen sind beteiligt http://www.dieter- heidorn.de/Physik/VS/StrukturMaterie Nichtleptonische Prozesse: Nur Hadronen sind beteiligt http://de.wikipedia.org/wiki/Schwache_ Wechselwirkung Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Geschichte I Theorie I Experiment v

6 6 2. Geschichte schwache WW und Beta-Zerfall 1930: Pauli postuliert das „Neutron“ beim Beta-Zerfall 1934: vollständige Beschreibung des Beta-Zerfalls durch Enrico Fermi  Beschreibung durch punktförmige WW von 4 Fermionen und Kopplungsstärke wird durch Fermi-Konstante beschrieben  Problem: nur für niedrige Energie Atila Jojart Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Geschichte I Theorie I Experiment http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1 002/phbl.19940501107/pdf http://de.wikipedia.org/wi ki/Betastrahlung

7 7 2. Geschichte Bosonen 1960: Sheldon Lee Glashow  Einführung von massiven Vektorbosonen postuliert 3 Austauschteilchen  W +, W - und Z 0 Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://www.spektrum.de/lexika/image s/physik/fff4386_w.jpg RUB Vorleung: Kern-und Telilchenphysik WiSe 14/15, 04.11.2014

8 8 2. Geschichte elektroschwache WW 1967: Vereinheitlichung der schwachen und elektromagnetischen Wechselwir- kung 1979: Nobelpreis: „Für ihre Mitwirkung an der Theorie der Vereinigung schwacher und elektromagnetischer Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen, einschließlich u.a. die Voraussage von schwacher nuklearer Strömung“ Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://www.physi.uni- heidelberg.de/~fschney/Seminar.SS10/Sch%C3%BCnke.pdf

9 9 2. Geschichte Nachweis der Bosonen 1983: Entdeckung/Nachweis von W- / und Z-Bosnen am CERN unter der Leitung von Carlo Rubbia 1984: Nobelpreis für Carlo Rubbia und Simon van der Meer „Für ihre entscheidenden Einsätze bei dem großen Projekt, das zur Entdeckung der Feldpartikel W und Z, Vermittler schwacher Wechselwirkung, geführt hat.“ Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://www.nobelpreis.org/physik/rub bia.htm

10 10 3. Theorie Vorhersage der Massen I Elektroschwache Theorie zur Vorhersage der Massen  Wechselwirkung durch vier masselose Eichbosonen (B 0, W 1, W 2 und W 3 )  Real vorkommende Austauschteilchen als Linearkombination der vier Eichbosonen Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://de.wikipedia.org/wiki/Elektroschwache_Wechselwirkung

11 11 3. Theorie Vorhersage der Massen II Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart

12 12 4. Experiment Erzeugung von Bosonen Idee: Erzeugung von Bosonen durch e + e - -Annihilation Notwendige Schwerpunktsenergie:  Anfang 1970 stehen keine geeigneten e + e - - Collider zur Verfügung Indirekte Beobachtung in Blasenkammer GARGAMELLE im Jahre 1973 Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart

13 13 4. Experiment Entdeckung neutraler Ströme Entdeckung: neutrale Ströme zwischen Elektron und Neutrino, welche durch das Z-Boson vermittelt wurden  Bestätigung durch Abwesenheit von Myonen Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://wwwzeuthen.desy.de/~husemann/ teaching/2009_ss/exp_teilchenphysik/skri pt/skript_03.pdf http://web.physik.rwth-aachen.de/~hoepfner/Teaching/Seminar_SS04/Scharf_talk.pdf

14 14 4. Experiment Erzeugung von Bosonen II Idee: Erzeugung von Bosonen durch Kollision von Quarks Umsetzung: Nutzung des SPS (Super Proton Synchroton)  2 gegenläufige Protonen kollidieren miteinander  Lösung?: Protonen werden auf beschleunigt  E=2˙300 Gev = 600 GeV  Nein! In bewegten System tragen die Quarks nur einen Bruchteil des Protonenimpulses. Der Hauptteil wird von Gluonen getragen, der Rest teilt sich auf mehrere Quarks auf! Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart

15 15 4. Experiment Proton-Antiproton-Collider Neue Idee: Annihilation von Quark-Antiquark-Paaren Umsetzung: Super Proton Antiproton Synchroton (SPS, in anderer Betriebsart) Vorteil:  u/d-Quarks und Anti-u/d-Quarks besitzen gleiche Impulsverteilung  nur ein Beschleunigungsring nötig, da entgegengesetzte Ladungen und frontale Kollision ergibt Nachteil: es gibt keine natürlich vorkommenden Antiprotonen Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://www.nobelpreis.org/physik/meer.ht m

16 16 4. Experiment Antiprotonen Erzeugung von Antiprotonen  Beschuss von Protonen (mit 26 GeV) auf festes Cu-Target  Probleme: - ein Antiproton pro 1 Mio Protonen, daher müssen sie gesammelt und gespeichert werden (Speicherring) - Antiprotonen haben eine stark unterschiedliche Impulsverteilung („heiß“) Stochastische Kühlung Simon van der Meer Nobelpreis 1984 Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://www.nobelpreis.org/p hysik/meer.htm

17 17 4. Experiment Stochastische Kühlung I Kühlung: Größe des Teilchenpakets im Phasenraum wird verkleinert (Kühlung, da die Bewegung der Teilchen relativ zueinander abnimmt)  Pick up: erster Sensor, der die Abweichung der Teilchen von der Idealbahn misst  Kicker: anderer Ort am Speicherring, Korrektur der Teilchen auf Kreisbahn durch EM-Feld  Erzeugung von 10 11 Antiprotonen pro Tag Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://www.physik.uni-freiburg.de/~kolja/wz- vortrag/wz-vortrag.pdf

18 18 4. Experiment Stochastische Kühlung II Kühlung: Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://www.physik.uni-freiburg.de/~kolja/wz-vortrag/wz-vortrag.pdf

19 19 4. Experiment Detektoren UA1 und UA2  Beschleunigung auf 270 GeV  2 Bereiche: UA1-und UA2-Detektor  Kollision mit einer Schwerpunktsenergie von Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://web.physik.rwthaachen.de/~hoepfner/Teaching/Sem inar_SS04/Scharf_talk.pdf

20 20 4. Experiment Der Detektor UA1  2000 t schwer  Allzweck-Detektor mit konventionellem Aufbau (Spurdetektor, Kalorimeter, Myonen-Driftkammer)  Magnetisches Dipolfeld 0,7 T senkrecht zur Strahlachse  Untersuchung von Proton-Antiproton-Kollision möglich Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://www.physik.unifreiburg.de/~kolja/wz-vortrag/wz-vortrag.pdf

21 21 4. Experiment Der Detektor UA2  Gewicht 200 t  Ohne B-Feld und ohne Myonenkammer  Einfacheres Desinge und optimiert für Detektion von e + e - - Nachweis  Schwerpunkt auf Kolorimetermessung und Untersuchungen genauer durchführbar als bei UA1 Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://www.physik.unifreiburg.de/~kolja/wz- vortrag/wz-vortrag.pdf

22 22 4. Experiment Suche nach dem W-Boson Zur Erzeugung des W-Bosons müssen Quark und Antiquark miteinander Kollidieren. Das W-Boson zerfällt in ein Elektron/Positron und ein Neutrino.  Suche nach: a.) Elektron mit hohem Transversalimpuls b.) Neutrino mit „fehlendem“ hohen Transversalimpuls Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://wwwzeuthen.desy.de/~husemann/teaching/2009_ss/exp_teilchen physik/skript/skript_04.pdf

23 23 4. Experiment Entdeckung des W-Bosons  5 Elektron-Ereignisse, die Kriterien erfüllen  7 Neutriono-Ereignisse mit Kriteriumserfüllung (alle 5 Elektronen-Events mit dabei)  Im September 1983 43 Events  Masse W-Boson: 80,9±1,5 GeV Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://www.physik.uni-freiburg.de/~kolja/wz- vortrag/wz-vortrag.pdf

24 24 4. Experiment Suche nach dem Z-Boson Zur Erzeugung des W-Bosons müssen Quark und Antiquark miteinander Kollidieren. Das Z-Boson zerfällt in ein Lepton-Antilepton-Paar (e, µ)  Suche nach: zwei Spuren geladener Leptonen, mit hohem und gleich großen Transversalimpuls in entgegengesetzter Richtung Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://wwwzeuthen.desy.de/~husemann/teaching/2009_ss/exp_teilchen physik/skript/skript_04.pdf

25 25 4. Experiment Entdeckung des W-Bosons  Am Ende: 4 Events Elektron-Positron 1 Moynereignis UA1: Veröffentlichung Juli 1983  Masse Z-Boson: 95,2±2,5 GeV UA2: Veröffentlichung September 1983  Masse Z-Boson: 91,9±1,3 GeV Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart http://wwwzeuthen.desy.de/~husemann/teaching/20 09_ss/exp_teilchenphysik/skript/skript_03.pdf

26 26 5. Ausblick Genauere Massenbestimmung des W/Z-Bosons  Durch weitere Messungen am LEP ist der heutige Stand der Massen m w : 80,425±0,038 GeV m z : 91,1876±0,0021 GeV Suche nach dem Higgs-Boson  Nachweis am CERN im LHC im Juli 2012 GUT (Grand Unified Theory)  Vereinheitlichung der elektromagnetischen / schwachen / starken WW Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart

27 27 Vielen Dank! Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment Atila Jojart


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