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

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 7.2.2000 G. Dissertori

Beschleuniger-Infrastruktur Warum wurde LEP gebaut? 27 km Umfang Teil der grossen Beschleuniger-Infrastruktur 7.2.2000 G. Dissertori

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,…. 7.2.2000 G. Dissertori

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 7.2.2000 G. Dissertori

Warum so gross? Abzudeckender Energiebereich sollte sein: 90 GeV -----> 200 GeV um Z und W Teilchen produzieren zu können, und Entdeckungspotential gross zu halten Synchrotronstrahlung muss reduziert werden, deshalb: grosser Radius 7.2.2000 G. Dissertori

Kleiner Abstecher: Was bedeutet Vereinheitlichung von Wechselwirkungen? 7.2.2000 G. Dissertori

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 = ? 7.2.2000 2 völlig verschiedene Phänomene…. doch...

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 7.2.2000

Austausch des ersten Teilchens mit Masse=0, Kopplung g1: Fouriertrafo P = Prozesswahrscheinlichkeit V = Potential Austausch des zweiten Teilchens mit Masse=Mz, Kopplung g2: Fouriertrafo 7.2.2000 G. Dissertori

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... 7.2.2000 G. Dissertori

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 7.2.2000

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 10-18 m g Austausch Z Austausch 7.2.2000 G. Dissertori

Z Zerfallskanäle: Z -> e+e- (Bhabha-Streuung) Z -> m+m- Z -> t+t- Z -> n Anti-n Z -> Quark Anti-Quark 7.2.2000 G. Dissertori

e+e- : Bhabha_Streuung 7.2.2000 G. Dissertori

m+m- : Muon Produktion m Lebensdauer  2 msec --> zerfallen erst ausserhalb des Detektors! 7.2.2000 G. Dissertori

t+t- : Tau Produktion Pionen= Hadronen Muon Neutrinos ? “unsichtbar” t Lebensdauer  3 x 10-13 sec --> zerfallen nach 87 mm in Elektronen oder Muonen oder Hadronen + Neutrinos 7.2.2000 G. Dissertori

t+t- : Tau Produktion t- t+ nt e+ u W- d Z W+ e- m+ nm Pions,Kaons t Lebensdauer  3 x 10-13 sec --> zerfallen nach 87 mm in Elektronen oder Muonen oder Hadronen + Neutrinos 7.2.2000 G. Dissertori

Quark-Paar Erzeugung Wir beobachten aber nicht Quarks, sondern Photonen, Leptonen, Hadronen (Pionen, Protonen, Neutronen) (Leptonen und Photonen stammen aus Hadron-Zerfällen) 7.2.2000 G. Dissertori

Quark-Paar Erzeugung Erzeugte Quarks:  10-15 m Up, Down, Strange, Charm, Beauty (nicht Top, weil zu “schwer”)  10-15 m 7.2.2000 G. Dissertori

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 10-12 sec --> einige hundert mm ! (Zerfallen in leichtere Hadronen + Leptonen + Neutrinos) Wie kann man diese Zerfälle trotzdem “sehen”? 7.2.2000

Antwort:Durch sehr genaue Spur-Rekonstruktion!! IP=Haupt-Wechselwirkungspunkt Zoom 1 cm 7.2.2000 G. Dissertori

Damit kann z.B. mittlere Lebensdauer gemessen werden….. 7.2.2000 G. Dissertori

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 7.2.2000 G. Dissertori

Was haben wir gelernt? (ein paar Gusto-Stückerln) Anzahl der leichten Neutrinos Präzisionsvermessungen der Z Resonanz Vorhersage der Top-Masse … und der Higgs-Masse 7.2.2000 G. Dissertori

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 7.2.2000 =2 (aus Theorie) G. Dissertori

-> “einfaches” Zählexperiment… Zähle hadronische Ereignisse Zähle leptonische Ereignisse Wichtig fur Kosmologie!! 7.2.2000 G. Dissertori

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! 7.2.2000 G. Dissertori

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 !! 7.2.2000 G. Dissertori

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!! 7.2.2000 Essenz : Berücksichtige alle möglichen Wege, |summiere deren Amplituden|2

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 7.2.2000 Virtuelle Teilchen E2  m2 + p2

Also... Falls Messgenauigkeit hoch -> sensitiv auf diese Terme -> sensitiv auf Top und sogar Higgs-Masse 7.2.2000 G. Dissertori

Direkte Entdeckung am Fermilab : Ergebnis: Mtop = 173.2 +/- 4.5 GeV/c2 Mhiggs = 77 +69 -39 GeV/c2 Direkte Entdeckung am Fermilab : Mtop = 174.3 +/- 5.1 GeV/c2 7.2.2000

Studien bei LEP2: Ab November 95 wurde LEP Energie kontinuierlich erhöht: 130 -> 136 -> 161 -> 172 -> 183 -> 189 -> 192 -> 196 -> 200 -> 202 -> 204 -> …. (max 206 ?) GeV Interessant für : W Produktion (ab 161GeV) : W Masse,Wirkungsquerschnitt.. Suche nach Higgs Supersymmetrie Überraschungen…? 7.2.2000

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 7.2.2000 G. Dissertori

7.2.2000 G. Dissertori

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 7.2.2000

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 7.2.2000 G. Dissertori u

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) ??? 7.2.2000 G. Dissertori

Zusammenfassung The END Beinahe 1000 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 7.2.2000