Das OPAL Experiment

Das OPAL Experiment
Lehrstuhl für Elementarteilchenphysik Prof. D. Schaile, LMU München Sektion Physik
OPAL (Omni-Purpose Apparatus at LEP)
ist eines der vier großen Experimente
am e e -Speicherring LEP (Large Electron Positron Collider) am internationalen
Forschungszentrum für Elementarteilchenphysik CERN bei Genf.
Im LEP-Ring, dem mit 27 km Umfang
größten Beschleuniger der Welt, werden etwa 100 m unter der Erde Elektronen und
Positronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und an vier Punkten miteinander zur Kollision gebracht.
OPAL
ALEPH
LEP
CERN North Area
DELPHI
SPS
L3
CERN West Area
Wirkungsquerschnitt / pb
Allgemeines
10
OPAL
Die Abbildung zeigt den Wirkungsquerschnitt für verschiedene e e -Reaktionen
in Abhängigkeit der Schwerpunktsenergie.
Reaktionen, die durch ein reelles Z0-Boson
vermittelt werden können, weisen einen
Peak bei etwa 91 GeV auf. Bei einer Energie von etwa 160 GeV wird die Schwelle zur Paarerzeugung von W-Bosonen
überschritten.
Der LEP-Beschleuniger
ermöglicht seinen Experimenten Messungen im Bereich von 80 – 200 GeV.
4
10
3
10
2
CESR
DORIS
+ −
e e →Hadronen
PEP
PETRA
TRISTAN
+ −
+ −
e e →µ µ
10
+ −
e e →γγ
+ −
−
e e →W W
+
1
0
20
40
60
Hadron calorimeters
and return yoke
Electromagnetic
calorimeters
Muon
detectors
Jet
chamber
Vertex
chamber
Microvertex
detector
θ
z
y
ϕ
Z chambers
Solenoid and
pressure vessel
x
Presampler
Forward
detector
Silicon tungsten
luminometer
Time of flight
detector
Physik bei LEP2
5
10
Die Produkte solcher Kollisionen werden im OPAL Detektor nachgewiesen. Halbleiterzähler und Driftkammern
liefern Spurinformationen, die Energie
wird mit Hilfe von Kalorimetern bestimmt, Flugzeit- und Energieverlustmessungen geben Auskunft über die
Identität der Teilchen.
Der Detektor besitzt einen Durchmesser
von etwa 11 m bei einer Länge von 12 m.
In der OPAL-Kollaboration arbeiten
über 300 Physiker aus 34 Instituten.
80 100 120 140 160 180 200
Schwerpunktsenergie / GeV
Physik bei LEP1
Im Juni 1996 begann, nach einem Ausbau des Beschleunigers, mit einer Schwerpunktsenergie von 161 GeV die LEP2 Ära. Bis zum Jahre 1999 wird die Energie
schrittweise auf 192 GeV erhöht.
Untersuchung von W-Bosonen
Eines der Hauptziele des LEP2 Programms ist die Untersuchung der W-Bosonen,
der geladenen Austauschteilchen der elektroschwachen Wechselwirkung.
Die paarweise erzeugten W-Bosonen zerfallen unmittelbar nach ihrer Entstehung. Bei einem leptonischen Zerfall (das W-Boson zerfällt in ein Lepton und das entsprechende Antineutrino) wird im Detektor ein isoliertes
Lepton beobachtet, bei einem hadronischen Zerfall (das W-Boson zerfällt
in ein Quark und ein Antiquark) zwei Teilchenjets.
Das nebenstehende Bild zeigt den semileptonischen Zerfall eines W-Paares in zwei
WW - > q q e ν
Jets, ein Elektron und ein Antineutrino im
OPAL-Detektor bei einer Schwerpunktsenergie von 172 GeV. Die beiden Teilchenjets hinterlassen Spuren (blau) in der zentralen Jet-Driftkammer. Ein Magnetfeld
ermöglicht die Messung der Teilchenimpulse aus der Spurkrümmung. Die in den
elektromagnetischen und Hadronkalorimetern erzeugten Cluster (gelb bzw. violett)
liefern Informationen über die Energie der
Teilchen. Das Elektron zeigt eine Spur (rot) in der Driftkammer und einen Cluster
im elektromagnetischen Kalorimeter. Der fehlende Impuls des nicht nachgewiesenen Neutrinos ist durch den gepunkteten Pfeil angedeutet.
Durch die vollständige Rekonstruktion der Ereignisse aus den beobachteten
Zerfallsprodukten können die Massen der W-Bosonen bestimmt werden.
Die Abbildung zeigt das Ergebnis eines
OPAL preliminary (1996)
Fits (rot) an die Verteilung der rekon25
s = 172 GeV
struierten W-Massen bei einer Schwer20
punktsenergie von 172 GeV. Für diesen
M = 80.16 ± 0.21 ± 0.11
Fit wurden 67 als reinhadronisch und
15
47 als semileptonisch selektierte Ereignisse verwendet. Insgesamt sollen im
10
OPAL-Detektor bis zum Jahre 1999 et5
wa 10 000 W-Paare aufgezeichnet werden.
0
40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90
Durch die W-Paarproduktion wird auch eiRekonstruierte Masse M / GeV
ne direkte Messung der Kopplung dreier
W W , Z0 W W ) ermöglicht. Existenz und Stärke
Vektorbosonen (γ
dieser Kopplungen sind ein sensibler Test des Eichcharakters des Standardmodells. Die Messungen der Boson-Boson Kopplung ergänzen die präzisen Untersuchungen der Boson-Fermion Kopplungen bei LEP1.
Ru n : e v e n t 7 5 9 0 :
9003
C t r k ( N= 3 7 S ump = 1 0 2 . 5 ) E c a l ( N= 4 1 S umE= 1 1 1 . 3 )
E b e am 8 6 . 1 5 8 V t x ( - 0 . 0 9 , 0 . 0 5 , - 0 . 1 3 )
H c a l ( N= 8 S umE=
3 . 2 ) Mu o n ( N= 0 )
F i t t e d ma s s = 8 1 . 7 + / - 0 . 4 G e V
e c a n d i d a t e , E = 4 9 . 6 GeV
In den Jahren 1989 bis 1995 wurde LEP mit Energien im Bereich der Masse des
Z0-Bosons (91.2 GeV) betrieben (LEP1). Dabei wurden etwa 5 Millionen Z0Zerfälle mit dem OPAL-Detektor aufgezeichnet. Die Daten erlauben eine Vielzahl neuartiger Untersuchungen zu den Eigenschaften von Elementarteilchen und
ermöglichen damit Aussagen über die Grundstrukturen der Theorie.
Nachfolgend zwei Beispiele:
Y
σ hadron [nb]
nb
Elektroschwache Physik
40
30
Eine der grundlegendsten Messungen bei
LEP1 ist die Bestimmung der leptonischen und hadronischen Wirkungsquerschnitte im Bereich der Z0-Resonanz, d.h.
die Messung der Linienform. Aus Lage
und Breite der Resonanz lassen sich mit
hoher Genauigkeit (10 4 – 10 5) die Masse und Zerfallsbreite des Z0-Bosons ermitteln. Das Verhältnis von Höhe zu Breite
hängt von der Rate der Z0-Zerfälle in Neutrinos ab und erlaubt dadurch indirekt die
Bestimmung der Anzahl der leichten Neutrinoarten (Nν 2 99 0 02) und damit der
Zahl der Teilchenfamilien.
20
Nν = 2
Nν = 3
Nν = 4
10
89
90
91
92
93
94
s [GeV]
Untersuchung schwerer Quarks und Leptonen
X
Ereignisse / GeV
Z
W
Der hochauflösende Microvertexdetektor (Ortsauflösung
25 µm) erlaubt
die Identifizierung und Untersuchung schwerer Teilchen (z.B. τ-Leptonen
oder Mesonen mit b-Quarks).
Diese haben typisch Lebensdauern im Bereich von 10 12 – 10 13 s. Aufgrund
1m
der hohen Energie der Teilchen (LorentzBoost, Zeitdilatation) ergibt sich eine Zerfallslänge im Millimeterbereich, so daß
solche Teilchen durch die Rekonstruktion sekundärer Zerfallsvertices nachgewiesen werden können. Das ermöglicht
die genaue Bestimmung der Lebensdauer,
die Messung der Wirkungsquerschnitte für
2mm
die Erzeugung schwerer Quarks oder die
Untersuchung exotischer Phänomene wie
Übergänge zwischen Teilchen und Antiteilchen, die im B0 B0 System auftreten.
Y
Z
X
Suche nach dem Higgs-Boson
Ein weiterer Schwerpunkt der LEP2 Analyse ist die Suche nach neuen Teilchen,
insbesondere nach dem Higgs-Boson. Dieses Teilchen wird vom Standardmodell
gefordert, um die Existenz massiver Eichbosonen zu erklären. Die Masse des
Higgs-Bosons bleibt ein freier Parameter der Theorie.
Bisher konnte das Higgs-Boson nicht nachgewiesen werden, es existieren aber
untere Schranken für dessen Masse. Mit den Daten, die bis zu einer Schwerpunktsenergie von 172 GeV vom OPAL-Detektor aufgezeichnet wurden, ergibt
sich diese Schranke zu 68.8 GeV.
Nach anderen Teilchen, die sich aus Erweiterungen des Standardmodells, wie der
Supersymmetrie, ergeben, wird ebenfalls intensiv gesucht. Bisher konnten auch
für diese Teilchen nur untere Massenschranken angegeben werden.
Weitere Informationen finden sich auf unserer OPAL Seite im World Wide Web: http://www.etp.physik.uni-muenchen.de/opal etp.html