 Leptonen: Lepton Masse Lebensdauer e  1 eV   190 keV 

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1  Leptonen: Lepton Masse Lebensdauer e  1 eV   190 keV 
 18,2 MeV e 511 keV  105,7 MeV 2,197 s  1,777 GeV 0,291 ps  1.1. Bild 1

2  Quarks: Quark Masse typische Lebensdauer u 1,5 – 3,3 MeV c 1,3 GeV
1.1. Bild 2

3 Bewegungsrichtung des Films
Der Aharonov-Bohm-Effekt: Spule Beobachtungs-ebene (Film) Elektronen-strahl  HV  HV  HV Strom konstant Strom wird gleichförmig erhöht Bewegungsrichtung des Films Strom konstant Experiment: Möllenstedt und Bayh, 1962 Bild 1

4 QCD QFD QED 1.2.4. Ausblick Wechsel-wirkung klassisch
Quantenfeldtheorie allg. Relati-vitätstheorie (Einstein) Gravitation QCD stark TOE: Theory of Everything Große Vereinheitlichung GUT schwach QFD elektrisch Elektro-dynamik (Maxwell) QED magnetisch heutiger Stand Bild 1

5 -Streuung 1.3. Experimentelle Ansätze a) Z-Sektor z. B.
LEP (CERN), SLC, PEP (SLAC), PETRA (DESY) Tevatron (FNAL) LHC (CERN) -Streuung (CERN, FNAL, Kernreaktoren,...) mit HERA (DESY) 1.3. Bild 1

6 b) W-Sektor mit LEP (CERN) Tevatron (FNAL) LHC (CERN) HERA (DESY) mit
( ) LEP, CLEO, ARGUS, BES, BaBar, Belle (single top production) LHC (CERN) 1.3. Bild 2

7 etc. c) Gluon-Sektor LEP, SLC, PEP, PETRA Tevatron (FNAL) LHC (CERN)
mit HERA (DESY) etc. 1.3. Bild 3

8 etc. d) Massen-Sektor Higgs: Quark-Mischung und CP-Verletzung LEP
Tevatron (FNAL) LHC (CERN) Quark-Mischung und CP-Verletzung BaBar (SLAC), Belle (KEK) LEP (CERN), SLC (SLAC) Tevatron (FNAL) LHC (CERN) etc. 1.3. Bild 4

9 Neutrale Ströme: Gargamelle Blasenkammer (CERN)
3.1. Bild 1

10 Erstes Z-Boson im UA1-Detektor (CERN)
3.1. Bild 2

11 Verteilung der invarianten Di-Lepton-Massen
Energiedeposition im EM-Kalorimeter Z Untergrund 3.1. Bild 3

12 Gezeiteneffekte der LEP-Strahlenergie
Vollmond Halbmond Bild 1

13  e  p, , K n, KL  Prinzip von Großdetektoren Modularer Aufbau
Spurdetektor teilweise im B-Feld elektromagnetisches Kalorimeter Myon-Spurkammern Silizium-Vertexdetektor Teilchen-ID (Cherenkov,TRD) hadronisches Kalorimeter  e  p, , K n, KL  Innen Außen Bild 2

14 ein Diagramm pro Neutrinoflavour mit 2m  MZ
Selektion: Z, e e e,, e,, Unsichtbar: Z e e ein Diagramm pro Neutrinoflavour mit 2m  MZ Bild 3

15 elektromagnetisches Kalorimeter
Spurkammern hadronisches Kalorimeter Myon-Kammern zwei Spuren jeweils mit Impuls MZ2 minimal ionisierende Spur durch beide Kalorimeter Signale vom Durchgang durch die Myon-Kammern Bild 4

16 zwei Spuren jeweils mit Impuls MZ2
zwei e.m. Schauer jeweils mit Energie MZ2 Bild 5

17 Mittlere -Zerfallsstrecke: 2mm
Bild 6

18 einzelne Leptonen mit Impuls  MZ2
fehlende Energie kleine Multiplizität einzelne Leptonen mit Impuls  MZ2 Jet-artige Strukturen mit 15 Hadronen und Gesamtimpuls  MZ2 Bild 7

19 zwei (oder mehr) Jets von Hadronen
Impulssumme  0 Energiesumme  ee-Schwerpunktsenergie Bild 8

20 Z-Resonanzkurve und totale Breite
Bild 9

21 Z-Partialbreiten Bild 1

22 Selektion: Sekundärvertizes Bild 2

23 Bild 3

24 Z-Resonanzkurve für verschiedene N
Bild 1

25 Bild 1

26 Sensitivität der Asymmetriefaktoren auf den Mischungswinkel
Bild 1

27 Winkelverteilung für Myon-Paare
Bild 2

28 Messung der Rechts-Links-Asymmetrie am Linear-Collider SLC
Bild 3

29 Messung der -Polarisation
Bild 4

30 Winkelabhängigkeit der -Polarisation
Bild 5

31 Z-Kopplungen an Leptonen
Bild 6

32 Winkelasymmetrie für bb- und cc-Ereignisse
Bild 1

33 Z-Kopplungen an Quarks
Charm Bottom Bild 2

34 3.5. Bild 1

35 Eines der ersten W-Bosonen im UA1-Detektor (CERN)
4.1. Bild 1

36 mT-Verteilungen von CDF, D0 (Tevatron)
Präzisionsmessung von MW Bild 1

37 Präzisionsmessung der W-Masse als Test der Schleifenkorrekturen im Standardmodell
Bild 1

38 Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix
Unitarität Bild 1

39 W W W W Bild 2

40 Allgemeine Lorentzstruktur für Fermionströme
Lorentz-Trafo eines Vierervektors: a) Eigentliche LT: Boost Drehung b) Uneigentliche LT: Zeitspiegelung Raumspiegelung Bild 1

41  1) Skalar (1): 2) Pseudoskalar (1): 3) Vektor (4):
4) Axialvektor (4): 5) Tensor (6): mit vollständige Basis des ℂ-Vektorraums der komplexen 44-Matrizen 16 linear unab-hängige komplexe 44-Matrizen  Bild 2

42 Bild 3

43 Bild 1

44 Bild 1

45 Bild 2

46 Tiefunelastische Streuung, neutraler Strom (,Z)
Bild 1

47 Tiefunelastische Streuung, geladener Strom (W)
Bild 2

48 Tief-unelastische ep-Streuung
elektromagnetisch schwach Vereinigung bei Bild 3

49 Die starke Kopplungskonstante
5.2. Bild 1

50 Die Farbfaktoren der QCD-Eichgruppe
5.3. Bild 1

51 Higgs-Mechanismus im Standardmodell
Lokal invariant unter SU(2)LU(1)Y Spontane Symmetriebrechung für 2  0 Bild 1

52 Spontane Symmetriebrechung
Vakuum: gebrochen gebrochen ungebrochen Bild 2

53 Eichfixierung – Eliminierung der Goldstone-Bosonen
Symmetrie-Generator (bzw. Linearkomb.)  Higgs-Bosonen  Goldstone-Bosonen Feldquanten Bild 3

54 6.1.3. Experimentelle Untersuchung des Higgs-Sektors
( ab jetzt: H   ) H e e Higgs-Erzeugung bei LEP: LEP 1: ee ; LEP 2: ee ; H e e  wichtigster Kanal H e e  H e e  Bild 1

55 Suche bei LEP 1&2: H langlebig (Flugstrecke ≳1m) H e,  e, 
WW H e,  e,  Leptonen vom Z bzw. Z H verlässt Detektor  fehlende Energie WW H e e fehlende Energie von Sekundärvertex von me e  mH Bild 2

56 H kurzlebig, Zerfall  am Hauptvertex
fehlende Energie von m2-Prong  mH   WW   K K Higgs  2-Prong WW fehlende Energie von Monojet von H  q q mit q  s,c,b Bild 3

57 b-Jet-Signaturen (Sekundärvertizes, Leptonen)
dominiert durch LEP 2 2 Leptonen von 2 b-Jets von b-Jet-Signaturen (Sekundärvertizes, Leptonen) WW Resultat: Bild 4

58 Ausschluss-Bereich vom Tevatron
Globaler Fit an alle elektroschwachen Observablen mit Higgs-Masse als freier Parameter Direkte Grenze von LEP 2 Ausschluss-Bereich vom Tevatron Bild 5

59 Higgs-Erzeugung am LHC:
Bild 6 Higgs-Erzeugung am LHC: LHC: pp bei (ab 2010), (ab 2015) g H Gluon-Fusion (dominant) Vektorboson-Fusion H q W, Z begleitende Produktion H Higgs-Strahlung g t t - Fusion

60 Higgs-Verzweigungsverhältnisse vs. Higgs-Masse
Bild 7

61 Wichtigste Higgs-Zerfallskanäle am LHC:
 H mH ≲ 150 GeV: mH ≳110 GeV H H mH  110  200 GeV Bild 8

62 Ausgeschlossen: mH  111–122 und mH  131–559 GeV
Kombinierte ATLAS-Grenzen auf ? Ausgeschlossen: mH  111–122 und mH  131–559 GeV Bild 9

63 Entdeckung eines neuen Bosons (Juli 2012):
ATLAS CMS  Neues Boson mit Spin 0 oder 2 bei GeV! Bild 10

64 Bestätigung des Signals!
ATLAS CMS Bestätigung des Signals! Bild 11

65 Bestätigung des Signals!
ATLAS CMS Bestätigung des Signals! Bild 12

66 Ja, im Rahmen der noch großen Fehler…
Kompatibel mit Higgs-Bosons des Standardmodells? ATLAS CMS Ja, im Rahmen der noch großen Fehler… Bild 13

67 6.1.4. Ausblick Mögliche Erweiterungen:
Mehrere Higgs-Dubletts oder Tripletts Mehrere geladene und neutrale Higgs-Bosonen Supersymmetrie: Felder  supersymmetrische Partner Fermion  skalare Boson Boson  Spin-½-Fermion Minimale Version der Theorie: 2 Higgs Dubletts  h H A H H skalar, CP   pseudoskalar, CP   skalar, geladen neutral Vorhersage: mh  MZ  mStrahlungskorrektur ≲ 130 GeV Partner: Spin-½-Higgsinos  Charginos & Neutralinos Bild 1

68 ✔ Mischung neutraler Mesonen:
schwache WW Erzeugung Zerfall (starke WW) (schwache WW) Konzept des effektiven Hamiltoneans (nicht-hermitesch): Zerfall ✔ Bild 1

69  Schrödingergleichung für -Mischung wobei: wegen CPT-Symmetrie
Bild 2

70 Oszillationsparameter für -Mischung
Bild 3

71 Messung der Mischung Bild 4

72 Entdeckung der CP-Verletzung:
Bild 1

73 Zerfallsrate neutraler Kaonen als Funktion der Zeit
Interferenzterm extrahiert aus a) Bild 2

74 asymmetrischer Collider
ee-B-Fabrik: BaBar (SLAC), (Super-)Belle (KEK) Zukunft: SuperB (?) bei Rom (?) e e WW 9,0 GeV 3,1 GeV t messbar Lorentz-Boost asymmetrischer Collider Vorteil: Sehr einfacher Endzustand Herausforderung: Extreme Luminositäten erforderlich heute Routine: Zukunft: Bild 3

75 Hadronische-B-Fabrik: LHCb am LHC (seit 2010)
b-Hadron  Signalzerfall b-Hadron  Zerfall  Flavour-„Tag“ Vorteil: tot riesig; ; ultimative Statistik Herausforderung: komplizierter Endzustand anspruchsvoller Trigger Bild 4

76 Bild 5

77 7.1.3. Die PMNS-Mischungsmatrix
Pontecorvo-Maki-Nahagawa-Sakata A) Dirac-Neutrinos Erzeugung durch geladene Ströme: : Geladene Leptonen (e, , ); unterscheiden sich nur durch Masse  WW-Zustände  Massen-Eigenzustände : Neutrino-Flavour allein durch begleitendes Lepton definiert  Flavour Zustände   Massen-Eigenzustände k Flavour-EZ:    e, ,    sterile Neutrinos  Massen-EZ: k k  1, 2, 3   4, 5, 6, …, N  Unitäre Transf.: U  PMNS-Matrix: Bild 1

78 Parameterzählung analog CKM-Matrix:
reelle Drehwinkel k j , k  j komplexe Phasenfaktoren ei (Phasen ) Freie Wahl der Phasen der Fermionfelder: unabhängige Phasendifferenzen k   unabhängige Phasen k,  Bild 2

79 Parameter der PMNS-Matrix:
reelle Drehwinkel k j , k  j komplexe Phasenfaktoren ei (Phasen ) Phasenfaktoren absorbierbar in Fermionfeldern komplexe Phasenfaktoren Beispiel N3: 3 Drehwinkel, 1 Phase Drehung um 3-Achse: R1212 Drehung um 2-Achse: R1313 Drehung um 1-Achse: R2323 Phasenfaktor: Eine mögliche Parametrisierung: Bild 3

80 Ausgeschriebene PMNS-Matrix für N3 (Dirac-Neutrinos):
 Bild 4

81 N  1 zusätzliche Majorana-Phasen!
B) Majorana-Neutrinos Massenterm ~ Phasen für Majorana-Neutrinos nicht frei wählbar! komplexe Phasenfaktoren ei (Phasen ) Phasenfaktoren absorbierbar in geladenen Fermionfeldern komplexe Phasenfaktoren N  1 zusätzliche Majorana-Phasen! Bild 5

82 Neutrino-Oszillationen
Flavour steril Masse mk Bild 1

83 Bild 1

84 3-Neutrino-Mischung Mischungsmatrix (Dirac-Anteil):
Jarlskog-Invariante (Amplitude CP-verletzender Oszillation): Bild 1

85 Bild 2

86 Amplitude der CP-erhaltenden Oszillationen:
Beispiele: etc., vgl. Giunti, Kim, Table 13.1. Bild 3

87 3-Neutrino-Oszillationen in Materie
Bild 1

88 e   - Oszillationen in Materie
Bild 1

89 Diagonalisierung: Bild 2

90 Neue Basis: Bild 3

91 7.1.4. Experimentelle Befunde:
-Zerfall: E0 Ee Kurie-Plot K(Ee) E0m Bild 1

92 Abbrems-Target und Signal-Szintillator
Zerfall ruhender Pionen: p vom Zyklotron Target    zum Spektrometer  Veto-Szintillator Abbrems-Target und Signal-Szintillator Bild 2

93 -Zerfall: had had im -Ruhesystem  m mhad Bild 3

94 L  2  Majorana- Doppel--Zerfall: E2e
Ist e ein Dirac- oder ein Majorana-Teilchen? Ist e ein massives Teilchen? Existieren rechtshändige e-Ströme? Normal: L  0 Neutrinolos: L  2  Majorana- E2e Endpunkts-Energie Bild 4

95 Neutrinoloser Doppel--Zerfall auf dem Quarkniveau:
  rechtshändiger geladener Strom Majoranamasse  Helizitätsflip oder andere neue Physik  stets folgt Existenz von Majorana- Effektive Majoranamasse (Mittelwert, gewichtet mit relativen Beiträgen leichter Majorana-Neutrinos): Bild 5

96 Ausschmierung durch experimentelle Auflösung
7.4. Experimente zu Neutrinooszillationen Experimentelle Ansätze Sensitivitätsbedingung für Nachweis von Oszillationen: Sensitivitätsbedingung für m2: sonst Ausschmierung durch experimentelle Auflösung nur sensitiv auf  Bild 1

97 i) DisappearanceExperimente:
Quelle Detektor Fluss Q bekannt Fluss D wird gemessen ii) AppearanceExperimente: Quelle Detektor Fluss Q bekannt Bild 2

98 Neutrino-Quellen: Kernkraftwerke atmosphärische Neutrinos innere Erde
aktive galaktische Kerne Teilchenbeschleuniger unsere Sonne Supernovae -Quelle -Typen E / MeV L / km m2|min / eV2 Reaktor 110 0103 105 Beschleuniger 103 103 103 Atmossphäre 102 104 105 Sonne 0,1 12 Bild 3

99 kosmische Strahlung (p)
Atmosphärische Neutrinos und Long-Baseline-Experimente Untergrund-Detektor ,e ,e Luftschauer Erde kosmische Strahlung (p) Bild 1

100 mehr positive als negative
-Entstehung in hadronischen Schauern mehr positive als negative Kern in Atmosphäre kosmische Strahlung Im Detektor: Signatur Erwartung: Bild 2

101 ✔ Oszillation  auf dem Weg durch die Erde -Fluss „von oben”
e-Fluss wie erwartet -Fluss „von unten” zu klein Bild 3

102 Beobachtung der LE-Abhängigkeit des -Defizits und
Interpretation als  Oszillation Bild 4

103 Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger-
Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger- Experimenten ( L  250735 km ) atmosphärisch Bild 5

104 7.4.3. Solare Neutrinos und Reaktor-Neutrinos
Haupt-Fusionsreaktion in unserer Sonne: Ethermisch  Solarkonstante:  Neutrinosfluss auf der Erde: Detailliertes Modell: Standard-Sonnen-Modell SSM Bild 1

105 Reaktionen mit e-Produktion im SSM
Reaktion Abk.  (cm2 s1)  Gesamtfluss bekannt mit 1,2% Genauigkeit! Bild 2

106 Spektrum solarer Neutrinos im SSM
Bild 3

107 Experimentelle Techniken:
Nachweis von Kernumwandlungen Realzeit-Streuexperimente Tieftemperaturdetektoren radiochemischer / geochemischer Nachweis (Schwer-)Wasser-Target  hohe Energieschwelle Flüssigszintillator-Target  niedrige Energieschwelle Einheit für den gemessenen Neutrinofluss: SNU (Solar Neutrino Unit) 1 SNU  1036 -Einfänge pro Sekunde und Targetkern Bild 4

108 Resultate für solare e-Flüsse auf der Erde
Reaktion Schwelle Fluss SSM-Vorhersage 37Cl  37Ar 814 keV ,6 SNU ,0 SNU 71Ga  71Ge 233 keV SNU SNU e e  e e 57 MeV 2,35106 cm2s1  8B   5,7106 cm2s1 233 keV 814 keV Klares Defizit von solaren Elektron-Neutrinos bei allen Energieschwellen  e-Oszillation 5 MeV Bild 5

109 Direkter Nachweis der solaren eOszillation
Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Target: D2 O (schweres Wasser) Schwellenenergie: 1-2 MeV  X exklusiv von 8B  8Be e e  Reaktionen: Charged Current (CC): Neutral Current (NC): Elastic Scattering (EC): e e W n p X Z n,p p,n e X Z e e W Bild 6

110 Lösung des solaren Neutrino-Problems
Vorhersage SSM Bild 7

111 Bestätigung: KamLAND-Experiment
mit von Kernkraftwerken ( L  1001000 km ) Bild 8

112 T2K T2K 7.4.4. Erste Messungen von 13
Long-Baseline-Experimente: -Quelle  e-Appearance T2K T2K far detector Bild 1

113 MINOS 735 km Bild 2

114 Daya Bay (China) Reaktor-Experimente: e-Quelle  e-Disappearance
Photo:IHEP Bild 3

115 RENO (Korea) Bild 4

116 Double Chooz (Frankreich)
Globaler Fit aller Experimentellen Daten: Bild 5

117 7.4.5. Zusammenfassung Atmosphärische Neutrinos Long Baseline -Exp.
Solare Neutrinos Reaktor-Neutrinos Linien: Ausschlussgrenzen Flächen: Messungen Bild 1

118 Spektrum der Neutrino-Masseneigenzustände
  1 2 3 oder „invertiert”: Bild 2