HANDOUT FÜR TEILCHENPHYSIK

HINWEISE
W/Z/HPFAD 2014
H A N D O U T F Ü R T E I LC H E N P H YS I K - M A ST E R C L A SS E S
C M S - DAT E N : W/Z / H - P FA D (2 014 )
Liebe Vermittler,
das vorliegende Handout unterstützt die Teilnehmer von Teilchenphysik-Masterclasses bei der Messung und ermöglicht ihnen weitgehend selbstständiges Arbeiten. Teilnehmer und Lehrkräfte können
das Handout mitnehmen und für die Nachbereitung der Masterclass nutzen.
Idealerweise wird das Handout doppelseitig in Farbe ausgedruckt.
Sie können es nach der ersten Einführung oder vor der Messung an
die Teilnehmer der Masterclass verteilen.
Dieses Handout ist speziell für die W/Z/H-Messung der CMS-Masterclass 2014 konzipiert und enthält
- eine Einführung und nützliche Hinweise, wie die Teilnehmer die
unterschiedlichen Signaturen von W- , Z- und H-Signalen erkennen können (S. 1),
- eine Einführung in die online verfügbare iSpy-Software (S. 2),
- die Darstellung von Teilchenspuren im Event-Display (S. 2/3),
- die Aufgabenstellung für die Datenanalyse (S. 4)
- sowie Informationen über Elementarteilchen und Wechselwirkungen (S. 5).
Viel Spaß wünscht
das Teilchenwelt-Team
HINWEISE
W/Z/HPFAD 2014
A N A LYS E VO N L H C - DAT E N : W/Z / H
WA S W I R I M D E T E K TO R S U C H E N
DER HINTERGRUND
Im Teilchenbeschleuniger LHC am internationalen Forschungszentrum CERN bei Genf kollidieren Protonen
mit einer Bewegungsenergie von jeweils 4 TeV. Das entspricht mehr als dem 4000-fachen ihrer
Ruhemasse! Bei der Kollision entsteht eine Vielzahl neuer Teilchen. Diese können sogar eine größere
Masse haben als die ursprünglichen Protonen, da bei der Kollision ein Teil von deren Bewegungsenergie
in Masse umgewandelt wird. Die entstandenen Teilchen oder ihre Zerfallsprodukte werden in Detektoren
nachgewiesen. So wollen Forscher beispielsweise das Higgs-Boson erzeugen oder herausfinden,
woraus Dunkle Materie besteht.
W- UND Z-BOSONEN
W-Bosonen (W- und W+) sind massereiche, elektrisch geladene Austauschteilchen der Schwachen
Wechselwirkung. Mithilfe von W-Bosonen werden wir heute den Aufbau des Protons erforschen und
herausfinden, wie Teilchenphysiker nach dem Higgs-Boson suchen.
W-Bosonen zerfallen nach ihrer Entstehung sehr schnell. Daher kann man sie nicht direkt im Detektor
nachweisen. Stattdessen sucht man nach ihren Zerfallsprodukten. Wir beschränken uns bei der Datenanalyse
auf vier Möglichkeiten:
W- → e-
-
→
µ- + v
und
W+ → e+ + v
W+ → µ+
Z-Bosonen (Z0) sind ebenfalls Austauschteilchen der Schwachen Wechselwirkung. Im Vergleich zu W-Bosonen sind
sie noch etwas schwerer und elektrisch neutral. Daher zerfallen sie in Paare von Teilchen, die zusammen ebenfalls
keine elektrische Ladung besitzen. In den Daten, die du analysierst, wirst du folgende Zerfälle finden:
Z0 → µ- + µ+
und
Z0 → e- + e+
DAS HIGGS-BOSON
Derart zerfallende Z-Bosonen sind umso interessanter, als sie, sollten zwei von ihnen im Detektor gesehen werden, mit
relativ hoher Wahrscheinlichkeit von einem Higgs-Boson stammen.
Das Higgs-Boson (H), dessen Entdeckung am CERN im Jahr 2013 den Physikern, die es in den 1960er Jahren vorhergesagt haben, einen Nobelpreis beschert hat, ist ein äußerst schweres, selten auftretendes Teilchen. Es verleiht allen
anderen Elementarteilchen ihre Ruhemasse zu verleihen, und tritt umso lieber mit den Teilchen in Wechselwirkung, je
schwerer diese sind.
Sowie es produziert wurde, zerfällt es sofort wieder. Vielleicht erkennst du in den Daten charakteristische Signaturen
der folgenden Zerfälle:
H → Z0 Z0 → 2µ + 2e
H → Z0 Z0 → 4µ
und
H → Z0 Z0 → 4e
Über einen komplizierteren Prozess ist auch der Zerfall in zwei Photonen ( ) möglich. Auch danach solltest du in den
Daten Ausschau halten:
H→
Die nächsten zwei Seiten geben Tipps und Informationen, wie du nach den oben erwähnten Prozessen im Detektor suchen musst. Viel Erfolg!
www.teilchenwelt .d e
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ANLEITUNG
W/Z/HPFAD 2014
D I E S O F T WA R E i S PY
A N L E I T U N G Z U R AU S W E R T U N G VO N T E I LC H E N S P U R E N
▸ Gehe auf http://www.i2u2.org/elab/cms/event-display/ und lade dein Datenpaket, das du im Ordner masterclass-2014 findest.
▸ Welches Datenpaket du analysieren sollst, teilt dir der/die Vermittler/in mit.
DIE WICHTIGSTEN FUNKTIONEN DER SOFTWARE:
①
②
③
④
⑤
●
①
Datenpaket laden
Datenpaket durchblättern
Zoom
Transverse X-Y-Ebene anzeigen (sehr nützlich!)
Detektor-Elemente ein-/ausblenden
●
②
●
③ ●
④
●
⑤
INFORMATIONEN ZUM ZERFALL VON TEILCHEN:
▸ W-Zerfälle haben fehlende transversale Energie Et (typischerweise > 20 GeV) und eine
sichtbare Spur von einem Elektron oder Myon
▸ Z-Zerfälle haben wenig oder keine fehlende transversale Energie Et (< 20 GeV) und weisen
zwei sichtbare Elektronen- oder Myonen-Spuren auf.
▸ Setze den Haken im linken Panel bei Missing Et (Reco). Die Richtung der fehlenden transversalen
Energie wird dir durch einen gelben Pfeil angezeigt. Je länger der Pfeil, desto mehr Energie fehlt.
Klicke auf den kleinen Pfeil neben dem Haken, um ganz einfach überprüfen zu können, ob es mehr
oder weniger als 20 GeV sind.
iSpy-Event-Display
Et steht für "transversale Energie"
(Energie senkrecht
zur Strahlrichtung)
Myon-Kammern
Myon-Spuren
fehlende transversale Energie (Et)
Elektron-Spuren
ECAL-Barrel
ECAL-Energie-Depositionen
HCAL-Energie-Depositionen
HCAL-Outer
Orientierung
2
ANLEITUNG
W/Z/HPFAD 2014
D I E S O F T WA R E i S PY
D A S E V E N T - D I S P L AY
T E I LC H E N S P U R E N
Elektronen und Positronen (Kürzel e- bzw. e+) hinterlassen eine Spur im Spurdetektor und geben ihre Energie im
elektromagnetischen Kalorimeter ab.
Energiereiche Quarks erzeugen Teilchenbündel (Jets) aus Hadronen. Diese hinterlassen mehrere Spuren im Spurdetektor und geben ihre Energie in beiden Kalorimetern ab.
Myonen und Antimyonen (Kürzel µ- bzw. µ+) hinterlassen Signale in allen Detektorschichten; insbesondere sind
sie die einzigen Teilchen, die noch in den außen gelegenen Myon-Kammern nachweisbar sind.
Neutrinos und Antineutrinos (Kürzel v bzw. ¯v) können die Detektoren nicht direkt nachweisen. Doch wenn in den
Detektoren viel Energie "fehlt", sind wahrscheinlich ein oder mehrere Neutrinos die Ursache dafür.
Photonen hinterlassen keine Spur im Spurdetektor, sondern sind nur im elektromagnetischen Kalorimeter zu
sehen, wo sie ihre Energie abgeben.
Auf Grund des B-Felds haben positiv geladene Teilchen eine Krümmung im Spurdetektor im Uhrzeigersinn,
negative Teilchen haben ihre Orientierung entgegen dem Uhrzeigersinn (X-Y-Ebenen-Ansicht).
BEISPIELBILDER FÜR TYPISCHE SIGNATUREN:
W- → e- + v
Z0 → e- + e+
H → 2µ + 2e
W+ → µ+
Z0 → µ- + µ+
H→
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ANLEITUNG
W/Z/HPFAD 2014
DAS S P R E A D S H E E T *
D AT E N A N A LY S E D E R KO L L I S I O N E N
ANLEITUNG - ANALYSE VON 100 TEILCHENKOLLISIONEN:
▸ Untersuche bei einem Kollisionsereignis zuerst, ob es Elektron- oder Myon-artig ist:
▸ Hat das Ereignis eine oder zwei Myon-Spur(en), trage eine "1" in der "muon"-Spalte bei dem entsprechenden
Event deiner Masterclass ein (vergleiche die Event-Nummer mit dem in der Software geladenen Ereignis!).
▸ Trage entsprechend eine "1" bei "electron" ein, solltest du eine oder zwei Elektron-Spur(en) finden.
▸ Entscheide dann zwischen W-, Z-, Higgs-Bosonen und sonstigem:
▸ Gibt es genug fehlende transversale Energie und eine einzige Myon- oder Elektron-Spur, hast du in dem Ereignis
einen Kandidaten für ein W-Boson gefunden. Bestimme die Ladung des Myons bzw. Elektrons anhand der Krümmung seiner Bahn und trage eine "1" in die entsprechende Spalte ein. Kannst du die Ladung nicht genau bestimmen,
trage die "1" in die Spalte "W cand".
▸ Findest du zwei Elektron- oder Myon-Spuren, ist es wahrscheinlich ein Z-Kandidat. Allerdings musst du noch
sicherstellen, dass es nicht mehr als 20 GeV fehlende transversale Energie gibt.
▸ Einen Higgs-Kandidaten hast du gefunden, wenn du entweder zwei Elektronen und zwei Myonen aufspürst (oder
vier Elektronen bzw. vier Myonen), oder zwei starke Energieablagerungen im elektromagnetischen Kalorimeter bei
sonst geringer Aktivität im Detektor. Trage dann eine "1" in der Spalte "H cand" ein.
▸ Kannst du das Ereignis nicht anhand der oben genannten Möglichkeiten klassifizieren, trage eine "1" bei "zoo" ein,
also "unbekannt/sonstiges".
▸ Berechne die Masse der Z- und Higgs-Kandidaten:
▸ Du hast Glück – sowie du eine "1" bei "Z cand" oder "H cand" einträgst, wird die Masse automatisch schon berechnet. Sie steht in der Spalte "mass". Runde den Wert auf die nächste ungerade Zahl und trage diese ein in "Mass
->odd".
▸ Erstelle das Massen-Histogramm:
▸ Gehe zum Excel-Tab "Massplot Builder" und trage deine Ereignisse mit einer "1" bei der jeweiligen Masse ein. Bei
Ereignissen mit derselben Masse trage die "1"en übereinander ein.
▸ Wenn ihr mit den 100 Ereignissen fertig seid, stellt eure Datei auf ein Tauschverzeichnis o.ä. und gebt so eurem/r
Vermittler/in euer Massen-Histogramm. Er/sie wird mit euch die gemeinsame Auswertung und Interpretation eurer
Ergebnisse machen! VIEL SPASS!
*Jede Gruppe lädt sich das Spreadsheet herunter unter: https://leptoquark.hep.nd.edu/~kcecire/mclib/files2014/CMSWZH2014local.xls
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INFO
MASTER
CLASSES
DAS STA N DA R D M O D E L L D E R T E I LC H E N P H YS I K
E L E M E N TA R T E I LC H E N U N D I H R E W EC H S E LW I R KU N G E N
Alle Materie besteht aus Elementarteilchen,
die sich nicht weiter zerteilen lassen:
▸ Sechs Arten von Quarks …
▸ … und sechs Arten von Leptonen:
Elektronen, Myonen und Tauonen (mit elektrischer Ladung),
und drei Arten von Neutrinos (ohne elektrische Ladung).
Stabile Materie in unserer Umgebung besteht nur aus Elektronen,
Up- und Down-Quarks.
Von den Teilchen der ersten Generation gibt es jeweils zwei massereichere Versionen mit gleichen Ladungen (2. und 3. Generation).
Jedes Materieteilchen hat ein Antiteilchen mit gleicher Masse,
aber entgegengesetzten Ladungen.
Es gibt vier Wechselwirkungen, mit denen man alle Vorgänge in der Natur beschreiben kann.
Sie werden durch Austauschteilchen vermittelt.
Starke
Wechselwirkung
Elektromagnetische
Wechselwirkung
Schwache
Wechselwirkung
Betro ene MaterieTeilchen
Quarks
Quarks und elektrisch
geladene Leptonen
Alle
Zugehörige Ladung
starke Ladung
(Farbladung)
elektrische Ladung
schwache Ladung
Austauschteilchen
Gluonen
Photon
W+, W -, Z 0
Wirkungen
Anziehung zwischen
Quarks; Zusammenhalt von Atomkernen
Licht, Strom, Magnetismus, Zusammenhalt von Atomen...
Betazerfall,
Kernfusion...
Reichweite
10-15 m
(Protonendurchmesser)
unbegrenzt
10-18 m
(1/1000 Protonendurchmesser)
Die vierte Wechselwirkung ist die Gravitation. Sie ist mit Abstand die schwächste
Wechselwirkung und spielt für Elementarteilchen keine Rolle.
Infos, Links, Newsletter und Forum zur Teilchenphysik: www.teilchenwelt.de
Software und Datenpakete für Masterclasses: http://www.i2u2.org/elab/cms/event-display/
Infos rund um den LHC: www.weltmaschine.de
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