ATLAS-Masterclasses Einführung in die W-Pfad Messung

Hauptdarsteller der Messung: Das W-Teilchen

Das W-Teilchen spielt eine sehr wichtige Rolle beim Beta-Zerfall Neutron Elektron Proton Antineutrino Genauer gesagt handelt es sich um einen Beta-minus-Zerfall (Elektron)

Es gibt noch einen 2. Betazerfall, den Beta-Pluszerfall (Positron) Die W-Teilchen sind Bosonen und sind zusammen mit dem Z-Teilchen für die Schwache Wechselwirkung verantwortlich. Abhängig von dem Anfangszustand (p, n) tritt entweder ein: W + -> Positron oder W - -> Elektron auf. Beta-Minuszerfall (W - )Beta-Pluszerfall (W + )

Produktion der W-Teilchen am LHC

66% 34%

Was können wir lernen, wenn wir die Produktionsrate der W + und der W - messen? Die Messung der Anzahl der produzierten W+ und W-Teilchen hilft uns, die innere Zusammensetzung des Protons zu bestimmen.

In zwei Drittel ihrer Zerfälle entsteht ein Quark-Antiquark- Paar. Beim restlichen Drittel der W-Zerfälle entstehen ein geladenes Lepton und sein Neutrinopartner. Elektron, Myon und Tauon kommen dabei gleich häufig vor. Das Tauon zerfällt aber sofort wieder und ist somit schwer zu identifizieren! W-Teilchen zerfallen sehr schnell, nur 3 x s nach der Produktion! Wie können wir W-Teilchen identifizieren?

Deshalb untersuchen wir lediglich die Zerfälle der W-Teilchen in: Elektronen (oder Positronen) Myonen (oder Antimyonen) Dafür benutzen wir das Event Display Minerva, das die Wechselwirkung der Teilchen im ATLAS-Detektor visualisiert

Das Event Display zeigt nur ein Signal im inneren Kalorimeter, dem magnetischen Kalorimeter Das Elektron und das Positron im Detektor: Teilchenidentifikation

Wie kann man mehr Informationen zum Zerfall bekommen?

War das ein Positron oder ein Elektron? Vorzeichnen des transversalen Impulses = Ladung des Teilchens

Das Event Display zeigt ein Signal in allen Detektoren, insbesondere in den Myonkammern Das Myon und das Antimyon im Detektor: Teilchenidentifikation

Das Neutrino im Detektor Neutrinos wechselwirken mit keiner einzigen Komponente des Detektors, weder im Spurdetektor, noch mit den Kalorimetern oder den Myonkammern. Teilchenidentifikation

Aus der Impulserhaltung wird die Energie des Neutrinos bestimmt (Fehlende transversale Energie, Missing ET auf Englisch)

Aber…Wenn Protonen kollidieren, können nicht nur W- Teilchen, sondern auch Z 0 -Teilchen entstehen. Diese Teilchen zerfallen ebenfalls sofort wieder.

Weitere Untergrundereignisse: Ereignisse mit Jets Ein Jet ist das Resultat von einem Gluon, Quark oder Antiquark, die bei der Kollision aus dem Proton geschleudert werden. Dabei sind große Energiemengen zur Überwindung der riesigen Bindungskräfte im Spiel. Aus einem Teil dieser Energie entstehen neue Quark-Antiquark-Paare die in annährend der gleichen Richtung fliegen, und sich miteinander zu neuen Teilchen, sogenannten Hadronen, binden.

Teilchenidentifikation: Ereignisse mit Jets Man sieht Bündel von Teilchen Der Wert des fehlenden transversalen Impulses ist zu klein, als dass Neutrinos hätten erzeugt werden können.

Es handelt sich um ein Signalereignis, wenn sich: Wie könnt Ihr Signal von Untergrund unterscheiden? im Ereignis GENAU EIN LEPTON (entweder ein Elektron oder ein Positron oder ein Myon oder ein Antimyon) befindet, das isoliert auftritt, d.h. NICHT IN EINEM JET auftritt und zudem Das LEPTON muss einen transversalen Impuls (PT) von mindestens 20 GeV besitzen. Im Ereignis muss ein fehlender transversaler Impuls (Missing ET) von mindestens 25 GeV vorliegen der Winkel zwischen Lepton und Missing ET-Linie in der Ebene senkrecht zur Strahlachse muss zwischen 160° und 200° betragen.

Ihr arbeitet zusammen in Zweiergruppen an einem Rechner Jetzt könnt Ihr die Zusammensetzung des Protons entdecken! Firefox starten Auf der Startseite auf Physics klicken Auf ATLAS klicken Auf ATLAS exercise - german klicken Den W-Pfad wählen So wird die Messung gestartet:

In Eurem Datenpaket sucht Ihr Euch mit Hilfe vom Event Display Minerva alle Signalereignisse heraus, also Ereignisse, in denen ein W-Teilchen erzeugt wurde. Für diese ermittelt Ihr die elektrische Ladung des W-Teilchens. (Sie wird durch das Voreichen des Transversalimpulses bestimmt!). Anschließend bestimmt Ihr das Verhältnis der Anzahl elektrisch positiv geladener W-Teilchen zur Anzahl elektrisch negativ geladener W-Teilchen. Dieses bezeichnen wir mit R±. Jetzt könnt Ihr die Zusammensetzung des Protons entdecken! Jede Gruppe bekommt ein Datenpaket mit 50 Ereignisse.

Auswertung Nach der Messung werden alle Eure Ergebnisse für das Verhältnis R± zusammengeführt. Wechselwirkungs- Prozesse W+W- Quark-Gluon- Wechselwirkung 66% Gluon-Gluon- Wechselwirkung 34% Messergebnisse??100%

Wechselwirkungs- Prozesse W+W- Quark-Gluon- Wechselwirkung ?? 66% Gluon-Gluon- Wechselwirkung ?? 34% Messergebnisse??100% Verhältnis von W + zu W - bei der Quark-Gluon-Wechselwirkung = ?

Das Higgs-Teilchen

Simulierte Higgs-Ereignisse sind in die originalen Messdaten von ATLAS versteckt worden. Finde diese an Hand der Signale heraus, die sie im Detektor hinterlassen! Auswahlregeln für ein Higgs-Ereignis: WER findet das Higgs-Teilchen? genau zwei elektrisch unterschiedlich geladene Leptonen enthalten, welche zum einen isoliert, d.h. nicht in Jets, auftreten und zum anderen jeweils einen transversalen Impuls von mindestens 20 GeV besitzen im Ereignis muss ein fehlender transversaler Impuls von mindestens 40 GeV vorkommen