Zerfallsbreite des Z-Bosons
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Zerfallsbreite des Z-Bosons Bastian Bathen [email protected] Westfälische-Wilhelms-Universität Münster Institut für Kern- und Teilchenphysik Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.1/77 Einführung - das Z-Boson Austauschteilchen bzw. Feldquant der schwachen Wechselwirkung 1983 am CERN experimentell nachgewiesen besitzt im Gegensatz zu den W-Bosonen keine Ladung Masse: mZ = (91, 1876 ± 0, 0021) GeV/c2 Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.2/77 Einführung - das Z-Boson Austauschteilchen bzw. Feldquant der schwachen Wechselwirkung 1983 am CERN experimentell nachgewiesen besitzt im Gegensatz zu den W-Bosonen keine Ladung Masse: mZ = (91, 1876 ± 0, 0021) GeV/c2 die W-Bosonen geladene Austauschteilchen der schwachen WW Masse: mW = (80, 425 ± 0, 038) GeV/c2 Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.2/77 Einführung - Überblick Einführung Theorie Experiment Zusammenfassung Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.3/77 Einführung - Überblick Einführung das Z Boson Postulierung des Z-Bosons Nachweis des Z-Bosons Erzeugung des Z-Bosons Theorie Experiment Zusammenfassung Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.3/77 Einführung - Überblick Einführung Theorie Zerfälle des Z Bosons Elektroschwache Vereinheitlichung Bestimmung der Z Resonanzparameter Experiment Zusammenfassung Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.3/77 Einführung - Überblick Einführung Theorie Experiment LEP und SLC OPAL Detektor Ergebnisse Zusammenfassung Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.3/77 Einführung - Postulierung des Z-Bosons Einführung das Z-Boson Postulierung des Z-Bosons Nachweis des Z-Bosons Erzeugung des Z-Bosons Theorie Experiment Zusammenfassung Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.4/77 Einführung - Postulierung des Z-Bosons Fermi-Theorie des β -Zerfalls (aufgestellt 1934) beschreibt punktförmige WW 1936 zeigt Heisenberg: bei hohen Energien divergiert der Wirkungsquerschnitt Einführung eines geladenen Bosons W ± löst Widerspruch der Fermi-Theorie Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.5/77 Einführung - Postulierung des Z-Bosons erwartetes Austauschteilchen geladen, da bis 1973 nur geladene schwache Ströme bekannt sehr schwer, da bei niedrigen Energien WW sehr gut durch punktförmige WW beschreibbar Entdeckung der neutralen schwachen Ströme (1973) zeigt, dass auch neutrales Boson Z 0 existiert Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.6/77 Einführung - Postulierung des Z-Bosons Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.7/77 Einführung - Nachweis des Z-Bosons erstmals nachgewiesen im Jahre 1983 am CERN durch Zerfälle Z 0 → e+ + e− und Z 0 → µ+ + µ− experimentelle Signatur: ein hochenergetisches Leptonen- (e+ e− , µ+ µ− , τ + τ − ) oder Hadronen-Paar, wobei Teilchen und Antiteilchen in entgegengesetzer Richtung fliegen Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.8/77 Einführung - Nachweis des Z-Bosons Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.9/77 Einführung - Erzeugung des Z-Bosons zur Erzeugung müssen ein Lepton und ein Antilepton oder ein Quark und ein Antiquark miteinander reagieren notwendige Energie im Schwerpunktsystem √ s = m Z c2 bei e+ e− -Kollidern ist √ s = 2Ee erforderlich technisch möglich mit Inbetriebnahme des SLC (Standford Linear Collider) und LEP (Large Electron-Positron Collider) im Jahre 1989 Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.10/77 Einführung - Erzeugung des Z-Bosons Erzeugung aus Quarks lange Zeit war einzige Möglichkeit, die Quarks im Proton auszunutzen (Bsp. u + u → Z ) Quarks tragen nur Bruchteil xPp des Protonimpulses Pp ca. die Hälfte von Pp tragen Gluonen; mittlerer Bruchteil x für die Valenzquarks und Seequarks: < xV >≈ 0, 12, < xS >≈ 0, 04 Bsp. frontale Kollision zweier Protonen, u + u → Z: √ √ mZ = ŝ ≈ < xu >< xu > ·s = 2 0, 12 · 0, 04 · Ep ⇒ Ep ≈ 600 GeV c2 √ Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.11/77 Einführung - Erzeugung des Z-Bosons günstiger: Protonen auf Antiprotonen schießen es genügt halb so große Energie nicht zwei separate Beschleuniger nötig das SPS (Super Proton Synchroton) am CERN (heisst in dieser Betriebsart SppS - Super Proton Antiproton Storage ring), speichert Protonen und Antiprotonen mit Energien bis zu 318 GeV am Tevatron am FNAL (Fermi National Laboratory) werden 900 GeV erreicht Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.12/77 Theorie Einführung Theorie Zerfälle des Z-Bosons Elektroschwache Vereinheitlichung Bestimmung der Z Resonanzparameter Interpretation der Z Breite Experiment Zusammenfassung Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.13/77 Theorie - Zerfälle des Z-Bosons das Z zerfällt in Lepton-Antilepton- oder Quark-Antiquark-Paare alle Fermion-Antifermion-Paare werden mit gleicher Häufigkeit erzeugt (unter der Annahme einer Universalität der schwachen WW) für die Erzeugung von Quark-Antiquark-Paaren kommt ein Faktor 3 für Farbladungen hinzu für die möglichen sechs leptonischen und fünf hadronischen Kanäle erwarten wir 1/21 für jedes ll-Paar und 1/7 für jedes qq -Paar Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.14/77 Theorie - Zerfälle des Z-Bosons im Detektor sind Zerfälle in die verschiedenen geladenen Leptonen und die hadronischen Zerfälle relativ einfach zu identifizieren verschiedene Quark-Antiquark-Kanäle sind nicht immer zu unterscheiden Zerfälle in Neutrino-Antineutrino-Paare sind nicht direkt nachweisbar Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.15/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung elektromagnetische und schwache WW sind als zwei Aspekte einer einheitlichen WW aufzufassen (vgl. elektromagnetische WW) jeder elektromagnetische Prozess (γ -Austausch) enthält geringen Beitrag des analogen schwachen Prozesses (Z -Austausch) Prozeß e+ + e− → W + + W − kann durch drei mögliche Graphen erfolgen Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.16/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung die Wirkungsquerschnitte der drei Prozesse divergieren, die Divergenzen heben sich jedoch bei gleichzeitiger Berechnung der Graphen (inkl. der Interferenzterme) auf hier müssen ein elektromagnetischer und ein schwacher Prozeß zusammengeführt werden nur möglich unter der Bedingung, dass e ≈ gW (gleiche Kopplungskonstanten) Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.17/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung erste Eichfeldtheorie einer elektroschwachen Vereinheitlichung von S.L. Glashow (1960) heutiges Modell 1967 von Steven Weinberg und unabhängig davon 1968 von Abdul Salam vorgestellt Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.18/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung 1979 Physik-Nobelpreis an Glashow, Weinberg, Salam Theorie heute als Glashow-Weinberg-Salam-Modell (GWS-Modell) bekannt Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.19/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung die Einführung der schweren Bosonen W ± und Z 0 sind die wesentlichen Bausteine für eine konsistente Theorie der schwachen WW Einführung des schwachen Isospins T (analog zum Isospin bei starker WW) damit lassen sich Fermionen in elektroschwache Multipletts einordnen Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.20/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung alle Fermionen innerhalb eines Multipletts sind ineinander umwandelbar bei schwacher WW muss Flavour der beteiligten Fermionen nicht erhalten bleiben Bsp. für 1. Generation T 1 Dublett νe (L) 2 Singulett e− (L) 1 2 e− (R) 0 T3 Q + 12 − 12 0 −1 0 −1 Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.21/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung Vergleich mit starker WW bereits 1963 von Cabibbo durch Einführung von Mischzuständen erklärt Teilchen bestehen aus Kombination mehrerer Wellenfunktionen: z.B.: ψd′ = ψd · cos θc + ψs · sin θc ψs′ = −ψd · sin θc + ψs · cos θc mit Cabibbo-Winkel θc Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.22/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung Vergleich mit starker WW bereits 1963 von Cabibbo durch Einführung von Mischzuständen erklärt Teilchen bestehen aus Kombination mehrerer Wellenfunktionen: z.B.: ψd′ = ψd · cos θc + ψs · sin θc ψs′ = −ψd · sin θc + ψs · cos θc mit Cabibbo-Winkel θc in Matrix-Form: ψd′ cos θc sin θc ψd = ψs′ − sin θc cos θc ψs Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.22/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung Flavouränderung innerhalb einer Generation ist immer mit Austausch geladener Bosonen der schwachen WW verbunden aus der Forderung, dass T3 in schwachen WW-Prozessen erhalten bleibt, folgt, dass T3 (W − ) = −1 und T3 (W + ) = +1 W + und W − bilden mit einem weiteren Zustand ein Triplett mit T = 1 dritter Zustand mit T3 = 0 und der gleichen Kopplungsstärke, der schwachen Ladung g, wird als W 0 bezeichnet Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.23/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung ein weiterer Singulett-Zustand B 0 mit T = 0, T3 = 0 und der Kopplungsstärke g ′ wird postuliert Triplett (T = 1) T3 Singulett(T = 0) T3 W+ +1 W0 0 B0 0 W− −1 Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.24/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung ein weiterer Singulett-Zustand B 0 mit T = 0, T3 = 0 und der Kopplungsstärke g ′ wird postuliert Triplett (T = 1) T3 Singulett(T = 0) T3 W+ +1 W0 0 B0 0 W− −1 Grundidee der elektroschwachen Vereinheitlichung liegt darin, γ und Z als Mischzustände von B 0 und W 0 zu beschreiben Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.24/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung ψγ cos θW sin θW ψB = ψZ − sin θW cos θW ψW mit elektromagnetischem Mischungswinkel oder auch Weinberg-Winkel θW das Z-Boson koppelt nicht in gleicher Stärke an alle Fermionen, die Kopplung ist auch von der elektrischen Ladung abhängig sin θW = ′ g √ 2 ′2 , g +g cos θW = √ g g 2 +g ′2 und e = g · sin θW Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.25/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung Bestimmung des Weinberg-Winkels: aus der ν -e-Streuung aus den elektroschwachen Interferenzen bei der e+ e− -Streuung aus der Breite des Z oder aus dem Massenverhältnis von W ± und Z sin2 θW = 0, 2319 ± 0, 0005 d.h. sin θW ≈ 0, 5, e ≈ 0, 5g die schwache Kopplungskonstante αschw (∝ g 2 ) etwa viermal so stark wie die elektromagn. Kopplungskonstante α (∝ e2 ) Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.26/77 Theorie - Elektroschwache Vereinheitlichung es scheint so, als sei die elektromagnetische WW schwächer als die schwache WW in Wirklichkeit ist die elektromagnetische WW wesentlich stärker an der effektiven Stärke der WWen hat die Masse der Austauschteilchen Einfluss das Photon ist masselos und die W- und Z-Bosonen haben sehr große Massen Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.27/77 Theorie - Z-Resonanzparameter die standardmäßigen Resonanzparameter des Z sind die Masse mZ P die totale Breite ΓZ (ΓZ = Γ(Z → f f )) die partiellen Zerfallsbreiten Γ(hadronen) und Γ(ll) (l = e, µ, τ , ν ) zu deren Bestimmung ist der Wirkungsquerschnitt von Bedeutung Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.28/77 Theorie - Z-Resonanzparameter der totale Wirkungsquerschnitt für einen −Nbg gegebenen Prozess: σ = Nsel ǫsel L Nsel Anzahl der selektierten Ereignisse Nbg Anzahl der Hintergrundereignisse ǫsel Selektionseffizienz L Luminosität der erwartete Background und die Selektionseffizienz werden z.B. aus Monte-Carlo-Simulationen ermittelt Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.29/77 Theorie - Z-Resonanzparameter Wirkungsquerschnitt mit Breit-Wigner-Ansatz: 0 σf (s) = σZ0 + σγ0 + σγZ + − sΓ2Z 12π Γ(e e )Γ(f f ) = m2 Γ2Z (s−m2Z )2 +s2 Γ2Z /MZ2 Z 4πα2 (s) 2 f 0 σγ = 3s Qf Nc √ f (s−m2Z )m2Z 2 2α(s) e f 0 σγZ = − 3 (Qf GF Nc GV GV ) × (s−m2 )2 +s2 Γ2 /M 2 Z Z Z σZ0 Qf Ladung des Fermion Ncf = 3 für Quarks, Ncf = 1 für Leptonen f GV neutrale Vektor-Kopplung des Z zu f f Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.30/77 Theorie - Z-Resonanzparameter Korrekturen des Wirkungsquerschnitts: Single-Photon-Austausch (σγ0 ) 0 ) γ -Z Interferenzen (σγZ die große (etwa 25%) Initial-state Radiation (ISR) Effekte QED Strahlungskorrekturen ISR Effekt-Korrektur: σf (s) = H(s, s′ )σf0 (s′ )ds′ H(s, s′ ): „Radiator Function“ R Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.31/77 Theorie - Z-Resonanzparameter QED-Korrektur: berücksichtigt über ISR-Korrektur und der energieabhängigen Kopplungskonstanten α(s) = α (1−∆α) jede Resonanzkurve besitzt ihr Maximum bei √ s = m z c2 unsichtbare Breite Γinv = Nν Γνν mit Nν Anzahl der leichten Neutrinosorten zu bestimmen aus: ΓZ = Γee + Γµµ + Γτ τ + Γhad + Γinv Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.32/77 Theorie - Z-Resonanzparameter die Breiten stellen einen hoch korrelierten Parametersatz dar Reduktion der Abhängigkeiten durch Definitionen: 0 ≡ Γhad , R0 ≡ Γhad Re0 ≡ ΓΓhad , R µ τ Γµµ Γτ τ ee bei leptonischer Universalität: Re0 = Rµ0 = Rτ0 = Rl0 ≡ ΓΓhad ll wobei Γll partielle Breite des Zerfalls von Z in einen masselosen Leptonenflavour ist Hadronische Pol-Wirkungsquerschnitt: σh0 ≡ 12π Γee Γhad m2Z Γ2Z Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.33/77 Theorie - Z-Resonanzparameter 0 = mit Rinv Γinv Γll folgt 0 Rinv = µ 12πRl0 σh0 m2Z ¶1 2 − Rl0 − 3 0 mit der durch Vergleich der gemessenen Rinv Standardmodell-Vorhersage für ΓΓννll : 0 Nν = Rinv ³ ´ Γνν Γll SM Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.34/77 Theorie - Z-Resonanzparameter Asymmetrien das Z koppelt mit einer Mischung aus Vektor- und Axial-Vektor-Kopplung dies führt zu messbaren Asymmetrien, z.B. in der Winkelstreuung NF −NB am einfachsten zu messen: AF B = N F +NB mit NF Anzahl der „forward“-Ereignisse (Polarstreuwinkel θ < φ/2) NB Anzahl der „backward“-Ereignisse (θ > φ/2) Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.35/77 Experiment Einführung Theorie Experiment LEP und SLC OPAL Detektor Ergebnisse Zusammenfassung Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.36/77 Experiment - LEP und SLC LEP und SLC Beschleuniger wurden in den 1980er erbaut Ziel: e+ e− Annihilationen bei Schwerpunktsenergien um 91 GeV Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.37/77 Experiment - LEP LEP war mit Umfang von etwa 27 km der größte Teilchenbeschleuniger der Welt 4 LEP Detektoren: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL BeschleunigerAufbau beinhaltet acht gerade Abschnitte Kollisionen in vier dieser Abschnitte Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.38/77 Experiment - LEP LEP lief von 1989 bis 2000 (letzter Beam am 2. Nov. 2000) √ LEP1 (1989 - 1995): s ≈ 91 GeV (Z-Boson Produktion) √ LEP2 (1996 - 2000): Anstieg bis s = 191 GeV und mehr (Produktion von W-Boson Paaren) es wurde eine belegte Beam-Energie von 104, 4 GeV erreicht, viel mehr als ursprünglich vorgesehen Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.39/77 Experiment - LEP während LEP1 etwa 17 Mio. Z-Zerfälle gemessen (15,5 Mio. in Quarks, 1,7 Mio. in geladene Leptonen) Peakluminosität am Ende von LEP1: 2 · 1031 cm−2 s−1 (geplant: 1, 6 · 1031 cm−2 s−1 ) etwa 100 Z-Bosonen pro Stunde an jedem der vier Experimente ursprünglich kreisten vier Elektronen- und vier Positronen-Bunches in dem Ring ergibt eine Kollisionsrate von 45 kHz Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.40/77 Experiment - LEP später acht Bunches mit gleichem Abstand oder vier Trains von Bunches → steigert die Luminosität √ s [GeV ] L [pb−1 ] Jahr 1989 88,2 - 94,2 1,7 88,2 - 94,2 8,6 1990 1991 88,5 - 93,7 18,9 91,3 28,6 1992 40,0 1993 89,4; 91,2; 93,0 1994 91,2 64,5 39,8 1995 89,4; 91,3; 93,0 Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.41/77 Experiment - LEP Anzahl an Z → qq -Events [103 ] Jahr A D L O 1990/91 433 357 416 454 1992 633 697 678 733 630 682 646 649 1993 1994 1640 1310 1359 1601 735 659 526 659 1995 Total 4071 3705 3625 4096 A: ALEPH, D: DELPHI, L: L3, O: OPAL LEP 1660 2741 2607 5910 2579 15497 Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.42/77 Experiment - LEP PS und SPS dienten als Vorbeschleuniger, bis zu 20 GeV, für Elektronen und Positronen in LEP wurden Elektronen und Positronen zu Bunches angesammelt, beschleunigt und zur Kollision gebracht Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.43/77 Experiment - LEP Kollision an einem Interaktionsbereich mit der nominellen Schwerpunktsenergie eine Füllung konnte bis zu etwa 10 Stunden anhalten Hauptkrümmungsfeld wurde von 3280 Dipolmagneten zur Verfügung gestellt weitere hunderte Quadrupole und Sextupole fokussierten und korrigierten den Beam Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.44/77 Experiment - LEP typischer Energieverlust (LEP1): 125 MeV pro Runde Energieverlustausgleich durch hochfrequentes Beschleunigersystem, aus zwei Kupferresonatoren, an zwei geraden Abschnitten Genauigkeit von etwa 2 MeV in Bestimmung der Schwerpunktsenergie erreicht, entspricht rel. Unsicherheit von 2 · 10−5 auf absoluter Energieskala Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.45/77 Experiment - SLC der SLC war 1989 der erste e+ e− -Linearbeschleuniger Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.46/77 Experiment - SLC SLAC linear Beschleuniger: beschleunigt alternierende Bündel von Elektronen und Positronen zwei Dämpfungs-Ringe: reduzieren die Größe und Energiestreuung der Elektronen- und Positronenbündel zwei separate Bögen: führen die Bündel zu einem einzigen Interaktionsbereich Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.47/77 Experiment - SLC Wiederholungsrate: 120 Hz Mark-II Kollaboration veröffentlichte die ersten beobachteten Z-Produktionen in e+ e− -Beschleunigern 1992 wurde der Mark-II Detektor gegen den SLD ausgetauscht 1992 erster longitudinal polarisierter Strahl von 1992 bis 1998 etwa 600 Tausend Z-Zerfälle Präzision der longitudinalen Polarisation lieferte ergänzende und konkurrenzfähige Messungen Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.48/77 Experiment - OPAL Detektor Aufbauten der LEP und SLC Detektoren sind sich recht ähnlich jedoch bedeutsame Unterschiede im Detail hier als Bsp. der OPAL (Omni-Purpose Apparatus at LEP) Detektor ein großer Mehrzweck-Teilchendetektor am LEP Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.49/77 Experiment - OPAL Detektor der Detektor ist ca. 12 m lang, hoch und breit Komponenten des Detektors befinden sich um Beam Pipe herum in Schichtstruktur Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.50/77 Experiment - OPAL Detektor der Detektor ist aus drei Hauptschichten aufgebaut: 1. Tracking-Detektoren 2. Kalorimetern 3. MyonSystem Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.51/77 Experiment - OPAL Detektor Tracking-Detektoren die Tracking-Detektoren sind Bauteile niedriger Dichte Teilchen durchfliegen Tracking-Detektoren ohne großen Energieverlust geladene Teilchen verursachen Ionisation des Materials in den Detektoren Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.52/77 Experiment - OPAL Detektor Tracking-Detektoren der Tracking Detektor besteht aus einem Silizium-Microvertex-Detektor einem Vertex-Detektor einer Jet-Kammer und einer z-Kammer alle Tracking-Detektoren arbeiten durch Detektion der Ionisation Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.53/77 Experiment - OPAL Detektor Tracking-Detektoren die Jet-Kammer ist die größte Tracking-Kammer aus der Krümmung der Spur in dem magnetischen Feld des Detektors wird der Teilchenimpuls abgeleitet die Stärke der Ionisation hängt vom Typ und Impuls des Teilchens ab der Energieverlust dE/dx hilft den Typ des Teilchens zu identifizieren Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.54/77 Experiment - OPAL Detektor Tracking-Detektoren die Vertex-Kammer und der Silizium-Microvertex-Detektor liegen direkt an der Beam Pipe sie lokalisiern die Zerfalls-Vertices der kurzlebigen Teilchen und verbessern die Impulsauflösung die Vertex- und Jet-Kammern sind in der „r-φ“-Ebene sehr genau, für die z-Koordinate erhalten sie Unterstützung von den „z-Kammern“ die „z-Kammern“ sind dünne Rechtecke am äußeren Rand von der Jet-Kammer Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.55/77 Experiment - OPAL Detektor Kalorimeter die Kalorimeter bestehen aus Material hoher Dichte soll die meisten der Teilchen verlangsamen und stoppen die Teilchen verlieren Energie durch Kollision mit der Materie des Detektors die Energie wird in unterschiedlicher Weise detektiert und es erlaubt die Energie der Teilchen abzuleiten Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.56/77 Experiment - OPAL Detektor Kalorimeter das OPAL Kalorimetersystem ist unterteilt in drei Hauptteile dem elektromagnetischem Kalorimeter dem HadronKalorimeter dem ForwardKalorimeter Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.57/77 Experiment - OPAL Detektor Kalorimeter das elektromagnetische Kalorimeter besteht vorrangig aus Bleiglas-Blöcken Bleiglasblöcke decken fast alle Winkel von der Beam-Richtung ab absorbiert die meisten der Teilchen OPAL´s elektromagnetisches Kalorimetersystem misst die Energien und Positionen der Elektronen, Positronen und Photonen Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.58/77 Experiment - OPAL Detektor Kalorimeter die Zylinder- und Endkappen-Bleiglassysteme decken zusammen 98% des vollen Raumwinkels ab die elektromagnetischen Schauer beginnen meistens bevor sie das Bleiglas erreichen (Weg bis dort: etwa 2 Strahlungslängen) Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.59/77 Experiment - OPAL Detektor Kalorimeter der Hadron-Kalorimeter liegt außerhalb des elektromagnetischen Kalorimeters er besteht größtenteils aus Eisen er erkennt Teilchen, welche durch den elektromagnetischen Kalorimeter gelangt sind messen die Energie der Hadronen, die von dem elektromagnetischem Kalorimeter erscheinen und helfen in der Identifikation von Myonen Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.60/77 Experiment - OPAL Detektor Kalorimeter das Eisen aus dem Magnetrückschlussjoch liefert mind. 4 Interaktionslängen eines Absorbers über einen vollen Winkel von 97% von 4π das Joch ist aufgeteilt in Schichten, mit Ebenen aus Detektoren zwischen jeder Schicht Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.61/77 Experiment - OPAL Detektor Kalorimeter die Hadron-Kalorimeter sind in drei Abschnitten konstruiert: dem Zylinder- und Endkappen-Hadronkalorimeter dem Hadron-Polschuh-Kalorimeter reicht so über einen Winkel von 97% von 4π Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.62/77 Experiment - OPAL Detektor Kalorimeter die Forward-Kalorimetern sind rund um und nahe an den Beam Pipes, an den beiden Enden des Detektors plaziert Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.63/77 Experiment - OPAL Detektor Kalorimeter Hauptaufgabe: Bestimmung der Luminosität der kollidierenden Beams (misst die Rate der Forward Elektron-Positron-“Bhabha“-Streuereignisse) die Hauptbestandteile: die Forward-Detektoren die Silizium-Wolfram-Luminositäts-Monitore Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.64/77 Experiment - OPAL Detektor Myon-System die Myon-Detektoren sind gas-gefüllte Kammer detektieren den Durchgang geladener Teilchen Myonen sind die einzigen Teilchen, die für gewöhnlich bis zum Myon-System gelangen der Myon-Detektor ist als ein Zylinder und zwei Endkappen konstruiert deckt den Eisenjoch fast komplett ab Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.65/77 Experiment - OPAL Detektor e− e+ → µ+ µ− Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.66/77 Experiment - OPAL Detektor e− e+ → qq Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.67/77 Experiment - Ergebnisse um Ergebnisse zusammenzufassen wurden LEP Working Groups, wie die Electroweak Working Group (EWWG), gegründet die beindruckensten Ergebnisse aus den Untersuchungen der Z Line shape: mZ = (91, 1876 ± 0, 0021) GeV/c2 ΓZ = (2, 4952 ± 0, 0023) GeV/c2 Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.68/77 Experiment - Ergebnisse Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.69/77 Experiment - Ergebnisse Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.70/77 Experiment - Ergebnisse Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.71/77 Experiment - Ergebnisse hadronischer Wirkungsquerschnitt als Funktion der Schwerpunktsenergie 1/s-Abfall: virtueller Photonenaustausch, führt zu Peak bei niedrigen Energien 91 GeV-Peak: Z-Austausch Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.72/77 Experiment - Ergebnisse Neutrino Zählung beste Wert aus Nν = Γinv Γl ³ ´ Γl Γν SM = 2, 9841 ± 0, 0083 Wert ist vereinbar mit 3 es bleibt Raum für ein Beitrag eines neuen Objekts an unsichtbarer Breite Γxinv = −2, 7+1,7 −1,5 MeV Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.73/77 Experiment - Ergebnisse Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.74/77 Experiment - Ergebnisse die experimentellen bestimmten Eigenschaften des Z-Bosons aus den Messungen am LEP und SLC konnten die Prognosen des Standardmodells sehr gut bestätigen zum ersten mal ist experimentelle Präzision hinreichend, um zu zeigen, dass das Standardmodell gültig bis zu einigen höheren Energieskalen Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.75/77 Zusammenfassung Z-Boson wurde im Rahmen der elektroschwachen Vereinigung postuliert elektromagnetische und schwache WW konnte sinnvoll in einer Theorie zusammengefasst werden am LEP und SLC wurden Eigenschaften des Z-Bosons sehr präzise ermittelt das Standardmodell wurde gestärkt es konnte nachgewiesen werden, dass nur drei leichte Neutrinos existieren Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.76/77 Literatur B. Povh, K. Rith, Ch. Scholz, F. Zetsche: Teilchen und Kerne (Springer) J. Bienlein, R. Wiesendanger: Einführung in die Struktur der Materie (Teubner Wiesbaden) J. Drees: „Review of Final LEP Result or A Tribute to LEP“, Int. J. Mod. Phys. A17 (2002) 3259 ALEPH, DELPHI, L3, OPAL und SLD Collaborations, LEP Electroweak Working Group und SLD Electroweak und Heavy Flavour Groups: „Precision Electroweak Measurements on the Z Resonance“, geplante Veröffentlichung in Physics Reports R. Assmann et al., LEP Energy Working Group: „Calibration of centre-of-mass energies at LEP1 for precise measurements of Z properties“, Eur. Phys. J. C6 (1999) 187 S. Eidelman et al., Particle Data Group, Phys. Lett. B592 (2004) 1 http://opal.web.cern.ch http://lepewwg.web.cern.ch http://pdg.lbl.gov http://www.etp.physik.uni-muenchen.de/fp-versuch/ http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/titelseite.html Zerfallsbreite des Z-Bosons – p.77/77
