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

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

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

1. Einführung Schwache Wechselwirkung Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Geschichte I Theorie I Experiment 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: http://www.atlas.uni-wuppertal.de/oeffentlichkeit/WundZ-Teilchen.html Atila Jojart

1. Einführung Beispiel Nichtleptonische Prozesse: Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Geschichte I Theorie I Experiment 1. Einführung Beispiel Nichtleptonische Prozesse: Nur Hadronen sind beteiligt http://de.wikipedia.org/wiki/Schwache_Wechselwirkung 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 v Atila Jojart

2. Geschichte schwache WW und Beta-Zerfall Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Geschichte I Theorie I Experiment 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 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/phbl.19940501107/pdf http://de.wikipedia.org/wiki/Betastrahlung Atila Jojart

Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 2. Geschichte Bosonen http://www.spektrum.de/lexika/images/physik/fff4386_w.jpg RUB Vorleung: Kern-und Telilchenphysik WiSe 14/15, 04.11.2014 1960: Sheldon Lee Glashow  Einführung von massiven Vektorbosonen postuliert 3 Austauschteilchen  W+, W- und Z0 Atila Jojart

2. Geschichte elektroschwache WW Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 2. Geschichte elektroschwache WW http://www.physi.uni-heidelberg.de/~fschney/Seminar.SS10/Sch%C3%BCnke.pdf 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“ Atila Jojart

2. Geschichte Nachweis der Bosonen Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 2. Geschichte Nachweis der Bosonen http://www.nobelpreis.org/physik/rubbia.htm 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.“ Atila Jojart

3. Theorie Vorhersage der Massen I Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 3. Theorie Vorhersage der Massen I Elektroschwache Theorie zur Vorhersage der Massen Wechselwirkung durch vier masselose Eichbosonen (B0, W1, W2 und W3)  Real vorkommende Austauschteilchen als Linearkombination der vier Eichbosonen http://de.wikipedia.org/wiki/Elektroschwache_Wechselwirkung Atila Jojart

3. Theorie Vorhersage der Massen II Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 3. Theorie Vorhersage der Massen II Weinbergwinkel: auch elektroschwacher Mischwinkel ist das Verhältnis der Masse des W- Bosons und des Z-Bosons 𝑐𝑜𝑠 𝜃 𝑊 = 𝑚 𝑊 𝑚 𝑍 und beschreibt den Zusammenhang zwischen Kopplungsstärken der elektroschwachen WW 𝑒=𝑔 𝑠𝑖𝑛 𝜃 𝑊  Voraussage: 𝑚 𝑊 2 =𝑟 4𝜋𝛼 8 𝑠𝑖𝑛 2 𝜃 𝑊 2 (ℏ𝑐 ) 3 𝐺 𝐹 𝑚 𝑍 2 = 𝑚 𝑊 2 𝑐𝑜𝑠 2 𝜃 𝑊 𝒎 𝑾 ≈𝟖𝟎 𝑮𝒆𝑽 𝒎 𝒁 ≈𝟗𝟎 𝑮𝒆𝑽 Atila Jojart

4. Experiment Erzeugung von Bosonen Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 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 𝑠 = 𝑀 𝑊,𝑍 𝑐 2 𝑒 − + 𝑒 + → 𝑍 0  E> 46 GeV 𝑒 − + 𝑒 + → 𝑊 + + 𝑊 −  E≈ 161 GeV Atila Jojart

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

4. Experiment Erzeugung von Bosonen II Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 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! 𝐸 𝑃 =300 𝐺𝑒𝑉 Atila Jojart

4. Experiment Proton-Antiproton-Collider Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 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 http://www.nobelpreis.org/physik/meer.htm 𝑠 =500−700 𝐺𝑒𝑉 Atila Jojart

4. Experiment Antiprotonen Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 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 http://www.nobelpreis.org/physik/meer.htm Atila Jojart

4. Experiment Stochastische Kühlung I Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 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 1011 Antiprotonen pro Tag http://www.physik.uni-freiburg.de/~kolja/wz-vortrag/wz-vortrag.pdf Atila Jojart

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

4. Experiment Detektoren UA1 und UA2 Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 4. Experiment Detektoren UA1 und UA2 http://web.physik.rwthaachen.de/~hoepfner/Teaching/Seminar_SS04/Scharf_talk.pdf  Beschleunigung auf 270 GeV 2 Bereiche: UA1-und UA2-Detektor Kollision mit einer Schwerpunktsenergie von 𝑠 =540 𝐺𝑒𝑉 Atila Jojart

4. Experiment Der Detektor UA1 Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 4. Experiment Der Detektor UA1 http://www.physik.unifreiburg.de/~kolja/wz-vortrag/wz-vortrag.pdf 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 Atila Jojart

4. Experiment Der Detektor UA2 Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 4. Experiment Der Detektor UA2 http://www.physik.unifreiburg.de/~kolja/wz-vortrag/wz-vortrag.pdf 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 Atila Jojart

4. Experiment Suche nach dem W-Boson Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 4. Experiment Suche nach dem W-Boson http://wwwzeuthen.desy.de/~husemann/teaching/2009_ss/exp_teilchenphysik/skript/skript_04.pdf 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 Atila Jojart

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

4. Experiment Suche nach dem Z-Boson Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 4. Experiment Suche nach dem Z-Boson http://wwwzeuthen.desy.de/~husemann/teaching/2009_ss/exp_teilchenphysik/skript/skript_04.pdf 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 Atila Jojart

4. Experiment Entdeckung des W-Bosons Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 4. Experiment Entdeckung des W-Bosons http://wwwzeuthen.desy.de/~husemann/teaching/2009_ss/exp_teilchenphysik/skript/skript_03.pdf 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 Atila Jojart

5. Ausblick Genauere Massenbestimmung des W/Z-Bosons Seminar: Kern- und Teilchenphysik Die Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Theorie I Experiment 5. Ausblick Genauere Massenbestimmung des W/Z-Bosons Durch weitere Messungen am LEP ist der heutige Stand der Massen mw: 80,425±0,038 GeV mz: 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 Atila Jojart

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