Die Entdeckung der W- und Z

Die Entdeckung der W- und ZBosonen am CERN
Christian Homann, 18.05.2004
Das „erste“ Z0-Boson
Übersicht:
Historische Bemerkungen und
Theorie der schwachen Wechselwirkung
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SPS – Der pp-Beschleuniger des CERN
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Die Detektoren: UA1 und UA2
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Suche nach den W's und dem Z0
•
Christian Homann, 18.05.2004
Historische Bemerkungen und Theorie
1934: Fermi stellt erste quantitative Theorie des β-Zerfalls auf
punktförmige Wechselwirkung
GF = 1.166 ∙ 10-5 GeV-2
Problem:
* Wirkungsquerschnitt divergiert
σ ~ s (s: Quadrat der Schwerpunktsenergie)
Christian Homann, 18.05.2004
Historische Bemerkungen und Theorie
1960: Glashow postuliert drei Austauschteilchen: W+, W- und Z0
Wechselwirkung durch Teilchenaustausch
GF → g²W / (q² + m²W)
g²W : Kopplungskonstante der schwachen WW
q²: Viererimpulsübertrag
m²W: Masse des W's
1966/67: Weinberg, Salam und Ward schlagen eine lokale
Eichtheorie SU(2)xU(1) als vereinheitlichte Theorie
für die elektromagnetische und schwache
Wechselwirkung vor
Christian Homann, 18.05.2004
Historische Bemerkungen und Theorie
Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung (I):
•
koppelt an linkshändige Leptonen und Quarks
dabei gilt Leptonenzahlerhaltung innerhalb einer Familie
bei Quarks gilt dies nicht strikt (CKM - Matrix)
•
Universalität: alle Leptonen und Quarks haben die gleiche schwache Ladung
d.h. W+/W- koppeln an alle Leptonen/Quarks gleich stark
Z0 koppelt zusätzlich an elektrische Ladung
Christian Homann, 18.05.2004
Historische Bemerkungen und Theorie
Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung (II):
Unterscheidung:
1) geladene Ströme, vermittelt durch W+ bzw. W-
e
e
Leptonische Prozesse:
Semileptonische Prozesse:
Nichtleptonische Prozesse:
L + νL ↔ L' + νL'
q1 + q2 ↔ L + νL
q1 + q2 ↔ q3 + q4
← für uns wichtig!
2) neutrale Ströme (experimenteller Nachweis 1973), vermittelt durch Z0
-
z.B.
νe
Z0
e-
Christian Homann, 18.05.2004
νe
e-
u
u
Z0
e-
e+
Der Beschleuniger
W+/W-/Z0: Wo und wie soll man danach suchen?
Messungen an geladenen und neutralen Strömen (z.B. Myonenzerfall, Neutrinostreuung)
ergeben Abschätzungen für die Massen für das W± bzw. Z0:
MW ≈ 80GeV und MZ ≈ 90GeV
In Teilchenkollisionen können neue Teilchen bis zu einer Masse M =  s erzeugt werden.
Erzeugung in e+ e- - Kollisionen? (LEP in Planung)
aber:
e+ + e- → Z0 → ... ✔
e+ + e- → W+ + W- → ... ✘
(Schwerpunktsenergie von ≈ 160GeV notwendig)
weiteres Problem: e+/e- haben bestimmte Schwerpunktsenergie,
benötigte Energie jedoch nicht genau bekannt
Christian Homann, 18.05.2004
Der Beschleuniger
W+/W-/Z0: Wo und wie soll man danach suchen?
Andere Möglichkeit: Erzeugung durch q q - Kollisionen!
Am CERN bereits vorhanden: Protonenbeschleuniger SPS mit fixem Target
Protonen werden dort auf eine Energie von EP ≈ 300 GeV beschleunigt   s ≈ 25 GeV
Idee: Zwei Protonenstrahlen aufeinander schießen   s = 2 ∙ 300 GeV = 600 GeV ?
NEIN, da Quarks nur einen Bruchteil x des Protonenimpulses tragen:
Valenzquarks: <xV> ≈ 0.12 Seequarks: <xS> ≈ 0.04
  s ≈ 2 ∙  0.12⋅0.04 ∙ 300 GeV ≈ 42 GeV
Neue Idee: Protonen und Antiprotonen aufeinander schießen
Vorteile: • Antiquark als Valenzquark im Antiproton vorhanden
• Nur ein Beschleunigungsring nötig
Christian Homann, 18.05.2004
Der Beschleuniger
Problem: Woher Antiprotonen?
Erzeugung durch Beschuss eines Targets mit Protonen:
sehr ineffizient! (NP ≈ 10-6 ∙ NP)
Daher: Notwendigkeit der Speicherung der Antiprotonen um sie zu sammeln
neues Problem: Antiprotonen sind „heiß“ (haben große Impulsverteilung)
Idee von Simon van der Meer:
stochastische Kühlung
Christian Homann, 18.05.2004
Der Beschleuniger
Die Wirkung der
stochastischen
Kühlung:
Christian Homann, 18.05.2004
Der Beschleuniger
Christian Homann, 18.05.2004
Die Detektoren
Die Detektoren: UA1 und UA2
„Interessante“ Zerfallskanäle:
W± → e± + νe / μ± + νμ
Z0 → e+ + e- / μ+ + μ-
Daraus resultierende Anforderungen an die Detektoren:
* Unterscheidung zwischen Hadronen und geladenen Leptonen muss möglich sein
* Energie und Impuls der geladenen Teilchen muss gemessen werden
* möglichst vollständige Abdeckung des gesamten Raumbereichs durch die Detektoren
(„4π - Detektor“)
Christian Homann, 18.05.2004
Die Detektoren
UA1 - der „Allzweckdetektor“
Seitenansicht:
Christian Homann, 18.05.2004
Die Detektoren
UA1 - der „Allzweckdetektor“
Driftkammer als Zentraldetektor:
befindet sich in Magnetfeld (0.7 Tesla)
→ Impulsmessung
räumliche Auflösung von 290µm
Energieverlust dE/dx wird bis
auf 16% genau gemessen
Christian Homann, 18.05.2004
Die Detektoren
UA1 - der „Allzweckdetektor“
Elekrokalorimeter zur Energiemessung
der Elektronen:
Christian Homann, 18.05.2004
Hadronisches Kalorimeter zur
Energiemessung der Hadronen:
Die Detektoren
UA2 – Kalorimetrie pur!
Christian Homann, 18.05.2004
Die Suche
Die Suche am UA1
allgemeinen Triggerschwellen:
* „Elektrontrigger“:
mind. 12 GeV Transversalenergie in zwei benachbarten
Teilen des Elektrokalorimeters
* „Myontrigger“:
mind. eine Spur im Zentralbereich des Myonendetektors, die
in Richtung des Kollisionspunktes zeigt
* „Jet-Trigger“:
mind. 20 GeV Transversalenergie in einem „Cluster“
des Hadronkalorimeters
* „globaler ET-Trigger“: mind. 50 GeV Transversalenergie in allen Kalorimetern
des Zentralbereichs
Christian Homann, 18.05.2004
Die Suche
Speziell: Die Suche nach dem Zerfall W± → e± + νe
Christian Homann, 18.05.2004
Die Suche
Speziell: Die Suche nach dem Zerfall W± → e± + νe
Weitere Bedingungen an Ereignisse, die aufgrund des Elektrontriggers
aufgezeichnet wurden (150.000 Ereignisse):
* Spur im Zentraldetektor muss zur Mitte des elektromagnetischen Schauers
im Elektrokalorimeter zeigen
* Im Zentraldetektor gemessener Transversalimpuls muss größer 7 GeV sein
* Spur muss „isoliert“ sein, d.h. Spuren, die in Richtung des selben Clusters des
Elektrokalorimeters zeigen, dürfen höchstens 2.5 GeV Transversalimpuls haben
* Signatur im Elektrokalorimeter muss „typisch“ für ein Elektron sein
=> 346 Ereignisse erfüllen diese Bedingungen
Christian Homann, 18.05.2004
Die Suche
Speziell: Die Suche nach dem Zerfall W± → e± + νe
Wie findet man das Neutrino?
Forderung: Auf der gegenüberliegenden Seite der Elektronenspur darf keine Energie
(innerhalb eines Azimuthwinkels von 30°) gemessen worden sein
=> 55 Ereignisse verbleiben
Diese haben auffallend hohe „fehlende Transversalenergie“:
Zusätzliche Forderung:
* Missing ET > 15 GeV
* Elektromagnetischer Schauer muss in der Mitte
des Elektrokalorimeters liegen
=> 43 Ereignisse
Christian Homann, 18.05.2004
Die Suche
Speziell: Die Suche nach dem Zerfall W± → e± + νe
Mögliche Fehlerquellen:
* Mißinterpretation eines geladenen Pions als Elektron: 0.3 Ereignisse
* π0, η0, γ das in e+/e- zerfällt und von denen nur eine Spur nachgewiesen wurde: vernachlässigbar
* Zerfall X → e + ν + ν:
Jacobisches Maximum:
pte ≈ ½ ∙ MW ∙ sin θ
dσ/dpt = dσ/d(cos θ) ∙ d(cos θ)/dpt
dσ/dpt = dσ/d(cos θ) ∙ 2pt/MW ∙ ( (MW/2)² – pt² )-1/2
=> Maximum bei pt = MW/2
Christian Homann, 18.05.2004
Die Suche
Speziell: Die Suche nach dem Zerfall W± → e± + νe
Außerdem: Fehlende Transversalenergie ist der Elektronenspur entgegen gerichtet:
=> W± gefunden!!
Christian Homann, 18.05.2004
Die Suche
Weitere Ergebnisse
UA1:
UA2:
W± → μ± + νμ: 14 Ereignisse
Z0 → e+ + e-: 4 Ereignisse
Z0 → μ+ + μ-: 5 Ereignisse
W± → e± + νe: 33 Ereignisse
Z0 → e+ + e-: 5 Ereignisse
=> W± / Z0 eindeutig nachgewiesen!
Daraus berechnete Massen:
MW = 82.1 ± 1.7 GeV
MZ = 93.0 ± 1.7 GeV
(heutiger Wert: 80.425 ± 0.038 GeV)
(heutiger Wert: 91.1876 ± 0.0021 GeV)
=> Nobelpreis 1984 für Carlo Rubbia und Simon van der Meer:
Christian Homann, 18.05.2004