Schwere Eichbosonen Seminarvortrag im Rahmen des F-Praktikums 4.12.2006 Norbert Braun Johannes-Gutenberg Universität Mainz

Inhalt Motivation Historischer Überblick Produktion von schweren Eichbosonen Zerfallskanäle der Bosonen Nachweis von Bosonen LEP: ALEPH TEVATRON Zusammenfassung

Was sind W± , Z –Bosonen? Virtuelle Teilchen Reelle Elementarteilchen Spin 1 Teilchen Besitzen eine Masse Z-Boson elektrisch neutral W+, W- elektrisch geladen

Warum sind Sie so wichtig? Aus Präzisionsmessung folgen Aussagen über das Standardmodell: Masse als unabhängiger Parameter Anzahl der Leptonengenerationen Präzises Messen der Konsistenz des Standardmodells ⇒Sind Erweiterungen nötig?

Historischer Hintergrund 1957: J. Schwinger: Erster Versuch einer elektroschwachen Theorie. 1967/68: Modell der elektroschwachen WW von Weinberg, Glashow, Salam 1973 Nachweis der Z-Bosonen als neutraler Strom Streuexperimente mit Neutrinos 1983 Erstmaliger Nachweis reeller W, Z Bosonen am CERN 1983 Inbetriebnahme TEVATRON (Fermilab) später auch Produktion von schweren Eichbosonen möglich

Historischer Hintergrund 1989 Inbetriebnahme des LEP Bis 1995 Betrieb des LEP bei einer Schwerpunktsenergie von 91 GEV Ab 1995 Stufenweise Erhöhung der Strahlenergie bis zur Ermöglichung von W-Paar Erzeugung 2000 Ende der Laufzeit des LEP Vorauss. Ende 2007 – Erster Probelauf des LHC am CERN

Produktion von reellen Bosonen Z0 – Boson: Mittels Kollision von: Elektron und Positron Benötigte Schwerpunktsenergie: Proton und Antiproton ( bzw. Quark, Antiquark ) Kollision von Protonen Benötigte Schwerpunktsenergie:

Produktion von reellen Bosonen W± – Bosonen: Paarerzeugng mittels Kollision von Elektron und Positron: Benötigte Schwerpunktsenergie:

Produktion von reellen Bosonen Erzeugung einzelner W± durch Kollision von Proton und Antiproton: Nur geringe Strahlintensitäten möglich, da sich Antiprotonen nur in geringer Zahl erzeugen lassen.

Zerfallskanäle Z – Boson: Leptonische Zerfälle: Z → Lepton + Antilepton Hadronische Zerfälle: Z → Quark + Antiquark

Nachweis von Z-Bosonen am CERN 1983 (SPS) Beobachtet wird ein hochenergetisches e+e- Paar. Lepton und Anti-lepton fliegen in entgegengesetzter Richtung auseinander Auftragen der Energie der gestreuten Leptonen über die Wnkel liefert sog. „LEGO-Diagramm“

Zerfallskanäle W± – Boson: W + W - Erwartete Zerfallsverhältmisse : Antilepton + Neutrino W + lepton + Antineutrino W - Wegen seiner hohen Masse ist die Erzeugung eines Top-Quarks nicht möglich. Erwartete Zerfallsverhältmisse : Leptonische Zerfälle 3 * 1/9 Hadronische Zerfälle 2 * 3 * 1/9 Jeweils 3 gleichberechtigte Quarks unterschiedlicher Farbe möglich.

Hadronische Zerfälle der W-Bosonen Entstehende Quarks können nicht frei existieren Hadronisierung führt zum Entstehen mehrerer Teilchen Dadurch treten Jets in Richtung des Quarks auf Quarks als quasifreie Teilchen senden harte Gluonen als Bremsstrahlung aus. Entstehung der Hadronen Zerfall kurzlebiger Hadronen in z.B. Leptonen und Photonen

Massenbestimung des W - Bosons Annahme W+ wird in Ruhe erzeugt und zerfalle anschließend wie folgt: Für den Transversalimpuls des Positrons gilt: Der Wirkungsquerschnitt berechnet sich nach:

Massenbestimung des W - Bosons Der Wirkungsquerschnitt hat ein Maximum bei: Verteilung der transversalen Masse: Der Zusammenhang zwischen Transversal Impuls und Masse ist gegeben durch: Masse des W – Bososns:

CERN Elektronen und Positronen wurden aus (älteren) Beschleunigern in LEP eingespeist. Beim Eintritt hatten die Teilchen bereits 22 GeV LEP konnte sie bis zu 104 GeV beschleunigen → genug um W+W- Paar zu erzeugen 4 Detektoren

LEP Mit einer Länge von ca. 27 km der größte bisher gebaute Beschleuniger Lief zwischen August 1989 und November 2000 Beschleunigt wurden Elektronen und Positronen

Eigenschaften des ALEPH Detektors Fast komplette Raumwinkelabdeckung Gute Spurrekonstruktion für geladene Teilchen Gute Impulsauflösung Auflösung einzelner Teilchen in Jets ist möglich

Experimentelle Signaturen am Beispiel des ALEPH - Detektors Siliziumstreifendetektor zur Ortsauflösung Driftkammer zur Ortauflösung Vermessen des Energieverlusts geladener Teilchen Nachweis und Energiemessung von Photonen und Elektronen

Experimentelle Signaturen am Beispiel des ALEPH - Detektors Ablenkung geladener Teilchen zur Unterscheidung und Impulsmessung Nachweis von Schauern stark wechselwirkender Teilchen Nachweis und Identifizierung von Myonen

Detektorkomponenten ⇒ Luminositätsmonitore: Die Luminosität wird hier über den bekannten Wirkungsquerschnitt der Bhabha Ereignisse ( ) gemessen. ⇒

Signaturen der Z-Ereignisse leptonisches Ereignisse (hier: Z → e+ e-) http://

Signaturen der Z-Ereignisse hadronische Ereignisse (Z → q + Anti-q):

Signaturen der W±-Ereignisse Leptonischer Zerfall: Anteil von ca. 10% e und μ direkt, τ über Zerfallsprodukte identifizierbar Neutrinodetektion nicht möglich ⇒ ca. die Hälfte der Energie fehlt

Signaturen der W±-Ereignisse Leptonischer Zerfall: Anteil von ca. 10% e und μ direkt, τ über Zerfallsprodukte identifizierbar Neutrinodetektion nicht möglich ⇒ ca. die Hälfte der Energie fehlt Semileptonischer Zerfall: Ein W zerfällt leptonisch, das andere hadronisch Beobachtet werden zwei Jets und ein Lepton, das Neutrino ist nicht nachweisbar! Häufigkeit dieser Zerfälle liegt bei ca. 44%

W± : Semileptonische Ereignisse

Signaturen der W±-Ereignisse Leptonischer Zerfall: Anteil von ca. 10% e und μ direkt, τ über Zerfallsprodukte identifizierbar Neutrinodetektion nicht möglich ⇒ ca. die Hälfte der Energie fehlt Semileptonischer Zerfall: Ein W zerfällt leptonisch, das andere hadronisch Beobachtet werden zwei Jets und ein Lepton, das Neutrino ist nicht nachweisbar! Häufigkeit dieser Zerfälle liegt bei ca. 44% Hadronischer Zerfall: Beobachtet werden vier Jets ⇒ Nahezu gesamte Energie nachweisbar Häufigkeit dieser Zerfälle liegt bei ca. 46%

W± : Rein hadronische Ereignisse

TEVATRON Teil des Fermilab (USA, bei Chicago) Umfang 6,5 km Seit Inbetriebnahme 1983 mehrmals aktualisiert Maximalenergie bei 980 GeV beschleunigt Protonen / Antiprotonen bisher energiereichster Beschleuniger der Welt

TEVATRON Die Produktion von W und Z Bosonen erfolgt durch Kollision von Quark und Antiquark Diese stammen aus kollidierenden Protonen / Antiprotonen Bei der Kollision werden durch die übrigen Quarks noch weitere Teilchen außer den schweren Eichbosonen erzeugt. Breites Spektrum an Experimenten, z.B. Nachweis des top-Quark oder Suche nach Hinweisen auf Higgs-Boson

Anzahl der Leptonengenerationen Betrachte zunächst die Breit-Wigner-Formel: mit: Betrachte Formel für für obige Breit-Wigner-Formel ergibt sich somit: Schließlich erhält man die Struktur einer Resonanzkurve:

Anzahl der Leptonengerationen WQ für Energien um die Schwerpunktsenergie bei der Reaktion e+e- → Z0 → Hadronen Wenn es eine vierte Leptonengeneration gäbe, müsste Γz größer sein Eine vierte Leptonen- generation kann mit einer Konfidenz von über 99,9% ausge- schlossen werden Je mehr Generationen von Leptonen es gibt, desto geringer ist der Anteil am totalen Wirkungsquerschnitt, der für die Hadronen „übrigbleibt“

Messergebnisse für W -Direkte Messung - Indirekte Halbwerts- breite Гw = 2.06(7) GeV

Messergebnisse für Z Halbwerts- breite ГZ = 2.490(7) GeV

Zusammenfassung W/Z-Bosonen sind die Austauschteilchen für die schwache Wechselwirkung Sie lassen sich als reelle Teilchen aus e+e- (LEP) und aus Quark-Antiquark-Kollisionen (TEVATRON und SPS) erzeugen Ihre Massen und Halbwertsbreiten sind Parameter des Standardmodells Die Größe der Massen ist dafür verantwortlich, daß die schwache WW so niedrige Wirkungsquerschnitte und Reichweiten aufweist.

Literaturverzeichnis http://www.physik.uni-siegen.de http://aleph.web.cern.ch Manfred Kröcker „Messung der Masse und des Produktionswirkungsquerschnittes von W-Bosonen in hadronischen Ereignissen der e+ e- Vernichtung bei LEP 2“ Dissertation Universität Mainz 1998 Lothar A. T. Bauerdick „Messung der Resonanzkurve des Z-Bosons in der Elektron-Positron-Vernichtung mit dem ALEPH-Detektor“ Dissertation Universität Mainz 1990 Demtröder „Experimentalphysik 4“ Springer Verlag Povh Rith Scholtz Zetschke „Teilchen und Kerne“ Springer Verlag