Entdeckung des W–Bosons - HERA-B

Entdeckung des W –Bosons
Erzeugung und Zerfall eines W –Bosons am SPS (CERN):
p
e+
u
+
W (reell)
d
p
νe
Rekonstruktion der Masse des W –Bosons aus einem leptonischen Zerfall in einer pp̄–
Erzeugungsreaktion. (a) Da sich die Quarks in Strahlrichtung bewegen, wird das W –Boson
bevorzugt ohne Transversalimpuls erzeugt, hat aber im allgemeinen einen Impuls entlang der
Strahlrichtung, womit der maximale Transversalimpuls etwa M W /2 entspricht. (b) Aus
dem Transversalimpuls des beobachteten Leptons wird eine ’transversale Masse’ bestimmt,
deren Endkante bei der tatsächlichen W –Masse liegt.
Experimentele Elementrarteilchenphysik
36
Winkelverteileung in der W –Produkion
Winkelverteilung der geladenen Leptonen bei pp̄–Kollisionen druch d+ ū →
W − → e− + ν̄e bzw. u + d¯ → W + → e+ + νe :
Experimentele Elementrarteilchenphysik
37
Bestimmung der W –Masse
Die Verteilung der transversalen Masse des W –Zerfalles unter
Ausnutzung der Methode des Jaccobian–Peak:
Experimentele Elementrarteilchenphysik
38
W –Paarproduktion bei LEP
Erzeugung eines W –Boson Paares in e+ e− Vernichtung am LEP:
Gemessene und auf grund von Modellen vorhergesagte Rate von hochenergetischen hadronischen Ereignissen als Funktion der effektiven e + e−
number of events / 3 GeV
Schwerpunktsenergie:
L3
Data 172 GeV
MC hadrons(γ)
MC background
150
100
50
0
50
Experimentele Elementrarteilchenphysik
100

√s´ [GeV]
150
39
Massenbestimmung des W bei LEP
WQS von e+ e− → W + W − als Funktion der W –Masse des W , Band:
W+W- cross section (pb)
Messung des WQS mit Fehler; Kurve: Vorhersage des Standartmodelles:
7
DELPHI
6
5
4
3
2
1
0
79
79.5
80
80.5
81
81.5
82
mW (GeV)
Aktueller Mittelwert aller Messungen der Masse des W –Bosons:
W-Boson Mass [GeV]
−
pp-colliders
80.40 ± 0.09
LEP2
80.35 ± 0.09
80.375 ± 0.064
Average
χ2/DoF: 0.2 / 1
NuTeV/CCFR
80.54 ± 0.11
LEP1/SLD/mt
80.374 ± 0.031
80
80.25
State: m98
Experimentele Elementrarteilchenphysik
80.5
80.75
mW [GeV]
40
W Kopplung an Fermionen
Leptonische
Geladene Ströme:
Semileptonische geladene schwache
τ Zerfall):
576 Ströme (π Zerfall,
8:9
#%$
"
!
;
< =
>
021 , 043
(*) & & &
' ''
;
K
?
+ )-,./)
= MO=QP G P H P J
L N
AC@ B AE@ D F:@ G FI@ H F:@ J
Rein R hadronische geladene
Ströme:
R
S
T
S
V
U
R
W X
Y
S
Z [
R\
V
V
^ X
kml
R
V
W X
W X
Y
Z [
R\
e T
da
b h
f gji
V
R
r\
V
R
`c
_
X
]
V\
n*oqp *
u y
wv x
]
S
ts
ƒ„
z{v
X
Experimentele Elementrarteilchenphysik
ts
Š ‹ v
…‡† ˆ‰
ˆt Š‹Œ
| }
s
v
~ E€ ‚
41
Cabibbo-Kobajashi-Maskawa Matrix



d0
V ud
0
 s  =  V cd
b0
V td
V us
V cs
V ts
 

V ub
d
V cb  ·  s 
V tb
b
Unitarität:
V † · V = 14
Lagrangien:
L
∼
+
=
+



u
d
g
 c γ µ(1 − γ 5)V  s  · Wµ+
2
t
b
 



d
u
g
V  s γ µ(1 − γ 5) c  · Wµ−
2
b
t




u
d
g
µ
5
 c γ (1 − γ )V  s  · Wµ+
2
t
b




d
u
g
 s γ µ(1 − γ 5)V † c  · Wµ−
2
b
t

Experimentele Elementrarteilchenphysik
42
Messung der CKM–Matrix
Neutronzerfall: Die Kopplungsstärke im Vertex des schwachen Zerfalles ist
proportional zu Vud :
#
$ "!
Bestimmung von Vus aus Kaon- und Lambda–Zerfällen:
%
%
&
&
(
)
'
%
*
+ ,
*
2
3
,
- .
/10 .
.
4
5
%
%
'
+
,
687
%
*
*
-
3
2
.
,
/ 0
Bestimmung von Vcs aus dem D + –Zerfall und Bestimmung von Vcb aus
dem: 9 B +–Zerfall: : 9
;
A
B <>=@?
CED F
L M
GIHKJ D
P
ON
ON
U
T
VEW
X
\
YIZK[
Q>R@S
]W
,
Experimentele Elementrarteilchenphysik
43
Zerfälle des τ –Leptons und Massenbestimmung
Zerfälle des τ –Leptons:
∗
∗
Vud /Vus
sr sb sg
ūrūbūg
τ –Massenbestimmung an der Produktionsschwelle: Abhängigkeit des Produktionswirkungsquerschnittes von
√
s, Ahängigkeit der Wahrscheinlichkeit
des Wertes von der τ –Masse:
Experimentele Elementrarteilchenphysik
44
Messmehtoden der τ –Lebensdauer
Verschiedene Methoden zur Messung der τ –Lebensdauer über die Zerfallsstrecken: (a) 1-Prong Stossparameter, (b) 2-Prong Stossparameter, (c)
Doppel-1-Prong und (d) Zerfallsänge von 3-Prongs:
∆φi
a)
Li
di
∆φ1
b)
d1
L1
d2
L2
∆φ2
c)
∆φ1
L1
d1
d2
d)
Li
L2
∆φ2
Experimentele Elementrarteilchenphysik
45
τ –Lebensdauermessungen
Resultate der Lebensdauermessung: Zerfallslängenverteilung (3 Prong) und
dN/dl (per 600 µm)
X gegen hY i Verteilung (Doppel-1-Prong Methode):
600
500
400
300
200
100
0
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
< d+-d- > (cm)
decay length (cm)
0.06
0.04
0.02
0
-0.02
-0.04
-0.06
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
X (rad)
Experimentele Elementrarteilchenphysik
46
Test der Leptonuniversalität
Leptonuniversalität der geladenen schwachen Kopplungen, gemessener Wert
(LEP) mit dem Fehlerbalken dargestellt, der das Band der Vorhersage des
Standart Modelles schneidet; grösste Unsicherheit: Fehler auf die τ –Masse:
gτ2 ττ m5τ
Be
= 2 5
1/τµ
gµ mµ
⇒
⇒
g2τ
g2µ
= 0.9996
Experimentele Elementrarteilchenphysik
2
gτ
τµ mµ 5
= Be
gµ
ττ m τ
gτ Messung: = 1.002 ± 0.004
gµ
τµ
ττ
5
[ ]
B(τ→eνν)
Mµ
Mτ
47
Lorentz-Struktur der geladenen Ströme
Elektromagnetische Wechselwirkung als Strom–Strom Kopplung
j µ (1 → 2) = ψ̄1 γ µ ψ2
j(a)
e
e
j(b)
1/q
2
a
b
• vektorieller Strom:
µ ν
µ
µ
jV −→ Λν jV
jV = ūf γ µ ui
⇒ 4 linear unabhängigen Matrizen
• axialektorieller Strom:
µ ν
µ
µ
µ
jA −→ det(Λν ) · Λν jV
jA = ūf γ 5 γ µ ui
⇒ 4 linear unabhängigen Matrizen
• skalarer Strom:
jS = ūf · 1 · ui
jS −→ jS
⇒ 1 linear unabhängige Matrix
• pseudoskalarer Strom:
µ
jP = ūf γ 5 ui
jP −→ det(Λν ) · jP
⇒ 1 linear unabhängige Matrix
• tensorieller Strom:
µν
µ
µν
λκ
σ µν = 2i [γ µ , γ ν ] jT −→ Λλ Λν
jT = ūf σ µν ui
κ jT
⇒ 6 linear unabhängigen Matrizen
⇒ 16 linear unabhängige 4 × 4 Matrizen mit den jeweiligen Basen Γ des
K –Vektorraumes:
1...4
1...4
], σ µν [Γ1T...6 ]}
], iγ µ γ 5 [ΓA
{1 [Γ1S ], γ 5 [Γ1P ], γ µ [ΓV
Experimentele Elementrarteilchenphysik
48
Messung der elektroschwachen Kopplungen
Messungen (DELPHI, LEP) der Lorentzstruktur möglicher Kopplungsstrukturen des schwachen geladenen Stromes; nur eine Kopplungsart für
linkshändige Teilchen wird tatsächlich gemessen: V–LL (Vorhersage der
V − A Theorie):
DELPHI
S
-2
RR
S
2
S
2
S
2
V
2i
2
-2i
-i
Experimentele Elementrarteilchenphysik
i/√3
1
LR
-i
T
i
-i/√3
i/√3
1
RL
-i
i
-1
LL
T
i
-1
RL
-2i
-2
LL
V
2i
1
-1
LR
-2i
-2
RL
V
2i
i
-1
RR
-2i
-2
LR
V
2i
-i/√3
1
-i
49
Messung der Michel–Parameter
Messungen mittels leptonischen τ –Zefällen im Vergleich zu µ–Zerfällen und
zur Erwartung des Standart Modelles (V − A–Theorie):
ρ
η
ξ
ξδ
ARGUS
ALEPH
µ → eνν
V −A
0.74±0.04
0.03±0.22
0.97±0.14
0.65±0.12
0.75±0.05
−0.04±0.19
1.18±0.16
0.88±0.13
0.7518±0.0026
−0.007±0.013
1.0027±0.0085
0.751±0.007
0.75
0
1
0.75
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
DELPHI
1.5
ξ
ξ
Vermessung der Michel–Parameter am Experiment DELPHI bei LEP:
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.6
0.8
1
ξδ
ξδ
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
1.2
ρ
Standard Model.
This measurement.
Disallowed region.
Allowed region.
0.4
0.6
0.8
1
1.2
ρ
Experimentele Elementrarteilchenphysik
50
W Paarproduktion und Selbstkopplung
Der Produktionswirkungsquerschnitt der W –Boson–Paarproduktion als
Funktion der Schwerpunktsenergie bei LEP2, Beiträge der einzelnen W W V
(V = γ/Z ) Kopplungen, indirekter Beweiss der Z 0 W −W + und
γW + W − Kopplungen:
20
18
16
σWW [pb]
14
LEP Average
Standard Model
no ZWW vertex
νe exchange
only
12
10
8
6
4
2
0
Preliminary
160
Experimentele Elementrarteilchenphysik
170
180
√s [GeV]
190
51