Tests der elektroschwachen Wechselwirkung an Hadron

Tests der elektroschwachen
Wechselwirkung an Hadron-Collidern
Seminar WS 2006/2007 RWTH
Hadron-Collider-Experimente
bei sehr hohen Energien
Johannes Braun
Betreuer: Prof. Dr. Feld
1
Übersicht
●
Das Standardmodel der elektroschwachen WW
–
zugrunde liegende Symmetrie + Quantenzahlen
–
partiziperende Teilchen
–
Austauschteilchen + theoretische Beschreibung der WW
●
Mess-Parameter und deren Bedeutung
●
Entdeckung von W und Z
–
●
●
Experimente UA1 + UA2 am CERN (1983)
Experimente + Ergebnisse
–
Tevatron (Fermilab / USA)
–
HERA (DESY)
–
LHC (CERN, Ausblick)
Zusammenfassung der Ergebnisse + Erwartungen
(LHC)
2
Das Standardmodell der
elektroschwachen
Wechselwirkung
3
Die elektroschwache WW
●
●
●
verantwortlich für β-Zerfall,
den ersten bekannten
schwachen Prozess
einzige WW des SM mit
Beteiligung der Neutrinos!
Unterschied zwischen
rechts- und linkshändigen
Teilchen!
→Symmetriebrechung
–
P-Verletzung (z.B beim
Myon-Zerfall)
–
CP-Verletzung
(Unterschied zwischen
Materie und Antimaterie)
4
Historie
●
1934: Fermis Theorie der schwachen WW:
–
Vier-Fermion-Vertex mit Kopplungskonstante GF
–
Problem:
●
dimensionsbehaftetes GF
→Vorhersage divergenter Wirkungsquerschnitte
und Theorie somit nicht renormierbar!
●
Lösung durch Einführung von
Austauschteilchen bzw. Eichfeldern
→ lokalen Eichinvarianz
5
Die Theorie der elektroschwachen WW
●
●
●
●
●
erste konsistente Formulierung der Quantenflavordynamik (QFD)
durch Glashow, Salam und Weinberg (1960-1972)
Existenz neutraler (Z, Photon) und geladener Ströme (W±)
bei geladenen Strömen nur Kopplung der linkshändigen LeptonAnteile
nur linkshändige Kopplung der Neutrinos an schwache Ströme → es
existieren keine rechtshändigen Neutrinos! (zumindest existieren
bislang keine Hinweise)
gesamte Natur der WW enthalten in Lagrangedichten/ -operatoren
6
Standardmodell – Die Teilchen
7
Standardmodell - Symmetrie
lokale Eichsymmetrie
Symmetriegruppe U(1)Y SU(2)L
mit
Eichbosonen Bµ und Wµ1, Wµ2, Wµ3
U(1)
Y ↔ schwache
Hyperladung
L+R-Kopplung
Eichkopplung g'
SU(2)
T ↔ schwacher Isospin
nur L-Kopplung
Eichkopplung g
Zusammenhang mit elektrischer
Ladung:
8
Die Teilchen
●
●
Da W3 als SU(2)L-Eichboson nur linkshändig koppelt, Z0 aber auch
rechtshändig, muss Z0≠W3 gelten!
Ansatz: beobachtbare Austauschteilchen als Lin.-Kombination der
Eichbosonen
ΘW ↔ Weinbergwinkel bzw. schwacher Mischwinkel
●
Problem: Theorie → W/Z masselos, sonst Verletzung der lokalen
Eichinvarianz
Experiment → Masse≈100GeV
●
Lösung: Higgs-Mechanismus mit Potential
→Bestimmung des Minimums führt zu:
9
Lagrangediche
●
WW-Lagrangedichte setzt sich zusammen aus Anteilen für geladene
und neutrale Ströme
●
es wird hier verwendet:
●
es gilt der Zusammenhang:
●
entsprechende Terme für andere Leptonfamilien (Quarksektor hier
nicht angegeben)
10
Feynman-Regeln
●
folgen aus Wechselwirkungstermen der Lagrangedichte
●
Propagatoren:
●
–
massive Bosonen:
–
Photon:
Vertexfaktoren:
●
Photon-Kopplung:
●
Z-Kopplung:
●
W-Kopplung:
11
Boson-Kopplungen
nicht-abelsche Symmetriegruppe SU(2)L U(1)Y ermöglicht Kopplung der
Austauschteilchen untereinander (nicht-verschwindende Strukturfaktoren)!
●
●
Vertizes mit drei oder vier Bosonen möglich:
●
einige dieser Prozesse verletzen P oder C
●
+ -
werden allerdings hauptsächlich an e e -Beschleunigern untersucht
12
Strahlungskorrekturen
●
es gilt
GF (in führender Ordnung
●
●
für Fermi-Kopplungskonstante
)
Abweichungen berechenbar über Strahlungskorrekturen (Diagramme
höherer Ordnung mit geschlossenen Schleifen in Propagatoren)
Führende Terme:
Vorhersage von
MH und Mt
→
möglich
13
Asymmetrien
●
●
V-A-Kopplung führt dazu, dass links- und rechtshändige Zustände
unterschiedlich zum Streuprozess beitragen
Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie (AFB):
Bei e+e--Streuung bezeichnet Θ den Winkel zwischen einlaufendem e- und
auslaufendem ℓ●
im Prinzip nur sinnvoll definiert bei unterscheidbaren Streupartnern, also
strenggenommen nicht bei pp-Kollisionen (LHC)
–
●
●
Problem kann jedoch umgangen werden (siehe später)
Messgröße sensibel abhängig von „neuer“ Physik → präzise Bestimmung
kann Grenzen des SM aufzeigen
elektroschwacher Mischwinkel aus AFB bestimmbar über:
mit theoretisch berechenbaren Parametern a,b
14
Weitere Eigenschaften der WW
●
●
●
Leptonzahlerhaltung (Erhaltung der Teilchenzahlen pro
Leptonfamilie)
Leptonuniversaltität: die Kopplungen aller Leptonen sind
gleich stark
Quarkmischung (CKM-Matrix): Übergänge zwischen
Quarkfamilien möglich
15
●
Das Standardmodel der elektroschwachen WW
–
zugrunde liegende Symmetrie + Quantenzahlen
–
partiziperende Teilchen
–
Austauschteilchen + theoretische Beschreibung der WW
●
Mess-Parameter und deren Bedeutung
●
Entdeckung von W und Z
–
●
●
Experimente UA1 + UA2 am CERN (1983)
Experimente + Ergebnisse
–
Tevatron (Fermilab / USA)
–
HERA (DESY)
–
LHC (CERN, Ausblick)
Zusammenfassung der Ergebnisse + Erwartungen
(LHC)
16
Messparameter und deren
Bedeutung
17
Die Parameter des EWSM
●
●
●
Annahmen:
–
masselose Neutrinos
–
Lepton-/Quarkuniversalität
insgesamt 17 Parameter im EWSM
–
Lepton-/Quarkmassen (9)
–
drei „Quarkmischwinkel“ + Phase aus CKM-Matrix (4)
–
g,g' bzw. e, sin2θW (2)
–
MH, ν (Higgs-Potential) (2)
nicht alle Parameter in Hadronexperimenten bestimmbar
18
Parameter des EWSM
●
sin2θW:
–
wie bereits erwähnt liefern Korrekturterme höherer Ordnung Zusammenhang
mit Higgs-Masse!
–
wichtiger Parameter des elektroschwachen Standardmodells, fast in allen
wichtigen Zusammenhängen vertreten!
–
Nicht von Theorie vorhergesagt
→ Bestimmung unentbehrlich zur Konsistenzüberprüfung des
Standardmodells!
–
Häufig zu findende Größe:
wobei
Term aus Strahlungskorrekturen
–
Zusammenhang mit Bosonmassen:
–
auch bestimmbar über:
(Vektor-/Axialvektorkopplungen bestimmbar z.B. aus WQ von NeutrinoLepton-Streuung)
19
Parameter des EWSM
●
MW:
–
Strahlungskorrekturen liefern Abhängigkeit von Mt, MH -> genaue Kenntnis
wichtig zur Abschätzung der Higgs-Masse!
–
●
Bestimmung nur über transversale
Größen möglich, da Schwerpunktsenergien bei Hadronexperimenten
unbekannt und Neutrinos nicht
detektierbar
ГW:
–
„unbekannte“ Zerfälle hätten Einfluss auf ГW -> Physik „jenseits“ des SM
erkennbar!
–
SM-Wert theoretisch gut vorhersagbar: 2,0986 ± 0,0028GeV
20
●
Das Standardmodel der elektroschwachen WW
–
zugrunde liegende Symmetrie + Quantenzahlen
–
partiziperende Teilchen
–
Austauschteilchen + theoretische Beschreibung der WW
●
Mess-Parameter und deren Bedeutung
●
Entdeckung von W und Z
–
●
●
Experimente UA1 + UA2 am CERN (1983)
Experimente + Ergebnisse
–
Tevatron (Fermilab / USA)
–
HERA (DESY)
–
LHC (CERN, Ausblick)
Zusammenfassung der Ergebnisse + Erwartungen
(LHC)
21
Endeckung von W/Z am CERN
(1983)
22
Entdeckung von W/Z am CERN/SppS
(1983)
●
Grundsätzliche Idee: Proton-Antiproton-Kollisionen bei Strahlenergie ≈270GeV
●
Vorteil gegenüber pp-Kolissionen:
–
●
Höherer Impulsanteil der Valenzquarks (<x>=12% statt 4% bei See-Quarks)
Anforderungen an Detektoren:
–
Unterscheidung Hadronen/Leptonen
–
Energie- +Impulsmessung bei Leptonen
–
4π-Detektor
23
Beschleuniger
24
UA1 – Der Detektor
konventioneller Detektoraufbau zur
Untersuchung der Proton-Anti-ProtonKollisionen
●
●
Driftkammer
–
0,7T Magnetfeld für
Impulsmessung
–
Auflösung 290µm
Elektromagnetisches
Kaloriemeter zur
Energiemessung der
Elektronen
–
●
●
Messung der
Energiedeposition
mit Genauigkeit von
ca. 16%
Hadronisches
Kalorimeter
Myon-Kammern
25
UA2 – Der Detektor
hochspezialisierter Detektor zur Bestimmung der
Bosonmassen
●
Keine Myon-Kammern
●
Kein B-Feld (keine Impulsmessung)
●
Erhöhte Messgenauigkeit (Massen bis auf 1% genau)
26
Entdeckung W-Boson
UA1
27
Entdeckung Z-Boson
UA1
28
Ereignisselektion + Auswertung
●
bei erster Datennahme ca. 140.000 registrierte Ereignisse in rund drei
Wochen
●
Selektion über weitere Kriterien, um Untergrund auszuschließen
●
W-Boson:
●
–
Transversalimpuls > 15GeV in zwei Zellen des EMK mit min. 25° zur
Strahlachse, Spur mit >7GeV im Zentraldetektor mit korrekter Richtung
–
Ausschluss hadronischer Ereignisse: Energie im HKM <600MeV
Z-Boson:
–
●
hochenergetisches e+e- -Paar mit entgegengesetztem Impuls
5 W-Ereignisse + 1 Z-Ereignis verbleiben (in dieser ersten Datennahme)
29
Massenbestimmung
●
Z-Masse über invariante Masse des Leptonpaares
●
Bestimmung der W-Bosonmasse nur über transversale Größen möglich
–
dazu bestimmt man die transversalen Impulskomponenten
–
Neutrinoimpuls über Impulsbilanz
–
Man ermittelt die sogenannte „transversale Masse“ über:
Ф = Winkel zwischen Lepton- und Neutrinoimpuls
●
●
im Falle exakt transversal emittierter Leptonen/Neutrinos stimmt
MTW mit MW überein
daher wird W-Masse aus der „Kante“ der Verteilung der
transversalen Masse ermittelt
30
Bestimmung der Massen
●
●
W-Masse aus Verteilung des transversalen Impulses/
der transversalen Masse bestimmbar
Bei Bestimmung über transversale Energie:
„Jacobisches Maximum“ bei ET=MW /2
31
Bestimmung der Massen
●
●
Für Z-Boson ergibt sich:
Aus beiden Massen ist der Weinbergwinkel
bestimmbar
32
●
Das Standardmodel der elektroschwachen WW
–
zugrunde liegende Symmetrie + Quantenzahlen
–
partiziperende Teilchen
–
Austauschteilchen + theoretische Beschreibung der WW
●
Mess-Parameter und deren Bedeutung
●
Entdeckung von W und Z
–
●
●
Experimente UA1 + UA2 am CERN (1983)
Experimente + Ergebnisse
–
Tevatron (Fermilab / USA)
–
HERA (DESY)
–
LHC (CERN, Ausblick)
Zusammenfassung der Ergebnisse + Erwartungen
(LHC)
33
Tevatron
34
Tevatron - Allgemeines
●
Fermilab (Chicago/USA), Start 1987
●
Experimente CDF+DØ
●
Proton-Antiproton-Beschleuniger mit ca.1TeV Strahlenergie
●
-1
integrierte Luminosität ~ 600pb (Stand: Anfang 2005)
35
CDF- Detektor
36
DØ - Detektor
37
CDF - Experiment
●
Gesuchte Prozesse:
●
Ereignisselektion:
●
●
●
–
W-Boson:
isoliertes Lepton mit Transversalimpuls > 25-30GeV + fehlender
Transversalenergie (Neutrino) > 25-30GeV
–
Z-Boson:
zwei Leptonen mit Transversalimpuls > 25-30GeV in entgegengesetzter
Richtung
In Run1 (Stand: 1999) wurde bis dato größte Anzahl an W-Ereignissen detektiert
(allein DØ >100000),
>100000 L=120pb-1
In Run2 bislang L=600pb-1 pro Experiment (Anfang 2005)
Messung der W-Breite durch einparametrigen Likelihood-Fit an Verteilung der
transversalen Masse
38
Massenbestimmungen
CDF
CDF
39
Bestimmung des W-Wirkungsquerschnitts
inklusiver WQ
totaler WQ
●
Messungen bei L=72pb-1 (links) bzw. 64 pb-1 (rechts)
●
Untergrund: QCD, Z-Zerfälle, Einflüsse kosmischer Strahlung (bei Myonen)
●
Für MC-Simulationen ist gutes theoretisches Verständnis nötig (z.B. Werte BR,
Strahlungskorrekturen, QCD)
40
Bestimmung des Z-Wirkungsquerschnitts
41
Energieabhängigkeit der WQ
42
W-Breite
●
Bestimmung der W-Breite über folgende Beziehung:
↑
Messgröße
●
↑
durch Theorie
bestimmt
↑
gesuchte Größe
↑
durch Theorie
bestimmt
Überprüfung der Leptonuniversalität möglich über:
bzw. durch Messung der WQ
→ Exzellente Bestätigung!
43
Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie
●
Vorzeichenwechsel bei MZ
●
Messung in Übereinstimmung mit dem Standardmodell
●
Bislang keine Hinweise auf „neue“ Physik jenseits des SM
44
Drei-Boson-Kopplung
●
Überprüfung u.a. anhand des Prozesses:
●
Selektion über:
●
–
Lepton mit hohem Transversalimpuls
–
Photon mit ET>7GeV
–
fehlende Transversalenergie
>25GeV (Neutrino)
Ereignisse müssen von
ISR+FSR-Ereignissen
(Bremsstrahlung)
unterschieden werden
in guter Übereinstimmung mit Vorhersage
45
HERA
46
HERA - Allgemeines
●
Deutsches Elektronen Synchrotron (Hamburg)
●
Start 1992
●
Experimente H1 + ZEUS
●
ep-Kolissionen bei 27,5 (e) bzw. 920 (p) GeV
47
Allgemeines
●
●
●
●
sowohl Elektronen, als auch
Positronen werden verwendet
Messung von CC and NC bei
Impulsüberträgen von bis zu
40000GeV2
somit Untersuchung der Vereinigung
beider Ströme möglich (siehe später)
Partondichtefunktionen (PDF): eine der
Hauptquellen für systematische
Unsicherheiten an pp-Collidern kann
hier präzise bestimmt werden
(prinzipiell keine Größe der
elektroschwachen WW)
48
H1 - Detektor
Ausstattung:
●
Asymmetrischer Detektor (ep-Kollision)
●
zentrale Spurkammer
●
EM-Kalorimeter (Blei, Flüssig-Argon)
●
●
●
Hadronisches Kalorimeter (Edelstahl,
Flüssig-Argon)
Vorwärtskalorimeter
Myon-Kammern
49
ZEUS - Detektor
Ausstattung:
●
●
●
●
●
(VXD):
Vertexdetektor
zentraler
Spurdetektor (CTD)
Kalorimeter (EMC +
HAC) sorgt für gute
Energieauflösung von
Rückwärtskalorimeter
(BAC)
Myondetektoren
50
Ergebnisse - HERA
●
●
●
bei kleinem Q2: NC
durch PhotonAustausch dominant
(Folge der
Masselosigkeit)
bei größeren
Impulsüberträgen
vermehrt Austausch
der massiven Bosonen
(W,Z)
Asymptotisch:
Angleichen der
Wirkungs-querschnitte
51
Ergebnisse - HERA
●
●
Experimente mit polarisierten
Elektronen/Positronen
ermöglichen direkte
Überprüfung der
Unterschiede links- und
rechtshändiger Zustände
bei rechtshändigen
Elektronen/linkshändigen
Positronen verschwindet WQ
durch CC
52
Ergebnisse - HERA
●
●
●
wichtige Erkenntnisse zu
Partondichtefunktionen
Keine EW-Messung, aber:
sehr bedeutend für andere
Hadron-Collider (Tevatron und
LHC), da Unsicherheit über
Quarkimpulse eine der
Hauptquellen systematischer
Unsicherheiten ist
53
L(arge)H(adron)C(ollider)
54
LHC - Allgemeines
●
CERN
●
Experimente ATLAS + CMS (ab 2007)
●
pp-Kollisionen bei 14TeV (frühestens ab 2008)
●
angepeilte Luminosität: bis zu 100fb-1y-1
●
hohe Ereignisraten: 400.000.000 W- und 40.000.000 Z-Ereignisse pro Jahr 55
bei 2*1034cm-2s-1
Die Detektoren
●
●
präzise Energiemessung im TeV-Bereich erfordert sehr große Kalorimeter
(Auflösung skaliert mit Detektorlänge)
Kalibrierung durch bekannte SM-Streuprozesse (primär Z-Zerfälle) →
Detektorverständnis
56
W-Masse
●
●
W-Masse aktuell bekannt bis auf 30-40 MeV (Tevatron)
wahrscheinlich zu erreichender Fehler bei LHC: 10-15MeV
→Einschränkung der Higgs-Masse auf ~25%
●
●
statistische
Unsicherheiten bei hohen
Ereignisraten sehr klein
(<2MeV)
systematische
Unsicherheiten viel
bedeutender!
57
W-Masse
●
●
Bei Rekonstruktion der Messdaten durch MC-Simulationen müssen
systematische Effekte berücksichtigt werden
–
QCD-Untergrund: leptonische Zerfälle von Hadronen werden detektiert,
obwohl sie nicht aus W/Z-Zerfällen stammen
–
Unsicherheiten in PDFs hat großen Einfluss auf die erwarteten
Wechselwirkungsraten (Unsicherheit >5%)
–
W-Massenbestimmung besonders anfällig gegenüber Unsicherheiten
der Lepton-Energiemessung (Skalierung und Auflösung) sowie der
Messung des transversalen Impulses
viele systematischen Unsicherheiten reduzieren sich bei besserem
Detektorverständnis!
58
erwartete systematische Unsicherheiten
(CMS)
59
W-Breite
●
●
●
W-Breite direkt bestimmbar
aus Verteilung der
transversalen Masse MT von
leptonischen Zerfällen des WBosons
anvisierte Genauigkeit bei
2fb-1:
Zum Vergleich Tevatron
(DØ,2004 bei 177pb-1)
60
2
sin θeff
●
Bestimmung von
über Vermessung von
a,b theoretisch über QED und QCD berechenbar
●
Wie erhält man AFB an einem pp-Collider?
–
Quark hat in der Regel höheren Impuls als Antiquark (Seequark)
–
identifiziere also Boostrichtung des Z0 mit Einlaufrichtung des Quarks
●
man erhofft statistische Fehler <1,4*10-4 bei L=100fb-1
●
zum Vergleich der Referenzwert aus globalem Fit:
61
Boson-Kopplungen
●
●
●
Bestimmung der Wirkungsquerschnitte für Boson-Selbstkopplungen
ermöglicht weitere Überprüfung der nicht-abelschen Struktur der WW
man erhofft sich die Entdeckung und Bestimmung von Anomalien bei
Boson-Kopplungen
gerade bei hohen Energien wird mit Effekten „neuer Physik“ gerechnet
●
im SM
62
●
Das Standardmodel der elektroschwachen WW
–
zugrunde liegende Symmetrie + Quantenzahlen
–
partiziperende Teilchen
–
Austauschteilchen + theoretische Beschreibung der WW
●
Mess-Parameter und deren Bedeutung
●
Entdeckung von W und Z
–
●
●
Experimente UA1 + UA2 am CERN (1983)
Experimente + Ergebnisse
–
Tevatron (Fermilab / USA)
–
HERA (DESY)
–
LHC (CERN, Ausblick)
Zusammenfassung der Ergebnisse + Erwartungen
(LHC)
63
Gegenüberstellung der
Ergebnisse + Ausblick
64
elektroschwacher Mischwinkel
●
●
Bisher recht präzise gemessen, Wert und Energieabhängigkeit mit SM
verträglich über unterschiedlichste Methoden
Messung am LHC über AFB wird wahrscheinlich die präziseste Messung
bislang!
65
W-Masse
●
Unsicherheiten seit 1983 um mehrere Größenordnungen verringert
●
LHC verspricht weitere Erhöhung der Präzision auf <15MeV
66
WQ + W-Breite
●
●
steigende WQ bei höheren Energien → starke Erhöhung der Ww-Raten bei
LHC → verbesserte Statistik
Auch W-Breite inzwischen präzise gemessen und verträglich mit SM
67
Zusammenfassung
●
●
●
●
●
Stand: 2004
elektroschwaches Standardmodell
bislang in allen Experimenten mit
Genauigkeit im (Sub-)
Promillebereich bestätigt
LHC wird Gültigkeit der Theorie
bei höheren Energien testen
besondere Bedeutung
elektroschwacher Prozesse in der
Anfangsphase zur Kalibrierung
und Bestimmung der Luminosität
→Detektorverständnis
Hinweise auf „neue Physik“ u.a.
durch Boson-Selbstkopplung
möglich
Messungen allein reichen nicht, für
MC-Simulationen sind sehr
präzise theoretische Vorhersagen
nötig (Strahlungskorrekturen, etc.)
68
ENDE
69