Entdeckung des W und Z - Physikalisches Institut Heidelberg

Die Entdeckung der
schwachen W- und Z-Bosonen
Schlüsselexperimente der Teilchenphysik
SS 2009 Prof. Johanna Stachel
Betreuer Kai Schweda
Tingting Niu
Gliederung
I. Motivation
II. Zerfall und Erzeugung der schwachen Bosonen
III. Das UA1 Experiment
IV. Resultate
V. Zusammenfassung
VI. Referenzen
2
Tingting Niu
I. Motivation
Der Stand der schwachen Welchselwirkung vor 70er Jahre:
bekannter schwacher Zerfall:
μ- → νμ + e- + νe
νμ
dessen Feynman-Diagramm:
μ-
W-
Eigenschaft: Lepton wechselt
immer seine Ladung
eνe
Aber: 1. Die Masse der W-Bosonen war nicht bekannt
2. Die theoretische Berechnung der Wirkungsquerschnitt divergiert bei hohen Ordnungen
3
Tingting Niu
Man versteht das theoretisches Problem besonders gut
anhand folgender Reaktion:
Divergenzen bei der Berechnung des Wirkungsquerschnitt
νν
z.B.
W
+
W
-
Lösung:
W+
νe
ν
e
-
νe
Etwa im Jahr 1968
Weinberg & Salam →
elektroschwache Welchselwirkung
mit schwachen Neutralen Strömen
0
Z
ν
-
W
W
σ tot ∝ s ∝ p*
1. Ordnung
2. Ordnung
u.s.w.
2
∝p* 2
4
quadratische Divergenz ∝ p*
quadratische Divergenz
( p* := Impuls des W's im CM-System )
Tingting Niu
W+
Divergiert auch, aber mit
entgegengesetztem Vorzeichen!
=> Divergenzen heben sich
gegenseitig weg
=> endlicher Wirkungsquerschnitt
4
Die fundamentalen
Vektorbosonen sind:
●
Ein masseloses Isotriplett Wμ = Wμ(1), Wμ(2), Wμ(3)
●
Ein masseloses Isosinglett Bμ
Infolge der spontanen Symmetriebrechung:
●
●
Teilchen(das Wμ+, Wμˉ) erhalten Masse
Teilchen werden gemischt
1
W = 2 (Wμ(1) ± i Wμ(2)),

±
Das Wμ(3) und Bμ wird auch gemischt,
sin2θw ist der Mischungsparameter
●
Sodass ein masseloses Feld Aμ(das Photon) und ein
massives Feld Zμ entsteht.
5
Tingting Niu
Die Lagrange-Funktion des elektroschwachen Standardmodell:
g
g
+
+
em
e.m.
L=
(J W + J W )+ cosθW  (J (3) –sin2(θW)J
)Z +gsin(θW)J
A
θW
µ
µ
µ
µ
µ
µ
µ
2 µ µ
Schwacher geladener Strom
Schwacher neutraler Strom
e.m. neutraler Strom
sin2(θW) , der einzige freie Parameter
der Theorie!
J
µ
(3)
J
µ
: Isospinstrom (Vierer Strom)
: die dritte Komponente des Jμ
e.m.
J
µ
: der elektromagnetischer Strom
θW : schwacher Mischungswinkel (oder Weinberg-Winkel)
Durch Lagrange-Funktion → σel.weak theor. = f (sin2θw)
Tingting Niu
6
1973 Entdeckung des neutralen Stroms mit der Blasenkammer Gargamelle
am CERN
νμ
νμ
Z0
e-
Blasenkammeraufnahme
e-
Spurrekonstrucktion
=> Erste Evidenz des neutralen Strom(Z0) !
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Tingting Niu
●
Weiterhin: (Neutrino-Quark Streuung)
vμ
μ+
vμ N → vμ X
vμ
W±
p
p
geladener Strom(CC)
NC
NC
CC ν CC ν
σ(νμN → νμX)
σ NC v
Rν ≡ CC
≡
= 0,31 ± 0,01
σ(ν
N
→
μ‾X)
σ v 
μ
Σ( 
vμN → vμX)
σ NC  v 
Rν = CC
≡
= 0,38 ± 0,02
σ  v 
v N → μ+X)
σ( 
μ
Tingting Niu
vμ
Z0
X
Messe das Verhältnis
(N: Nukleon)
X
neutraler Strom(NC)
σel.weak theor. = f (sin2θw)
=> sin2θw = 0,234 ± 0,013
8
Dadurch: theoretische Vorhersage der W- und Z-Masse
mW
2
2
e 2
=
2
8G sin θ W
mW = (82±2,4) GeV/c2
mZ
2
mW
=
2
cos θ W
mZ = (94 ±2,5) GeV/c2
G= 1,166367(5)x10-5 GeV -2 Fermi-Konstante
●
2
(Bestimmt im Muonzerfall,
aus der Messung der MuonLebensdauer. )
1979 Nobelpreis für Weinberg, Salam, Glashow
9
Tingting Niu
II. Zerfall und Erzeugung der Bosonen
●
Zerfälle der Bosonen, die für uns wichtig sind
0
Z
●
μ+ μ-
μ+
νe
νμ
q q
u
d
+
-
e e
Erzeugung der Bosonen
W
+
q q
e
+
W
-
μ-
νe
νμ
u
d
e-
W/Z+X
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Tingting Niu
Warum braucht man Antiprotonen?
p
p
 S qqM ≈90GeV
s
●
qq
s
qq
= (P1 + P2)2
=x x s
1
2
pp
902 GeV2= 0,22 • s
pp
=>
 Spp=450 GeV
CERN(SppS):
 Spp=540GeV
(540GeV war damals maximal
möglich für Proton beim CERN)
Tingting Niu
Schematisch
=> Man benötigt Antiprotonen!
11
III. Das UA1- Experiment
●
CERN
●
SppS (Proton-Antiproton)
●
1978 genehmigt
●
Lief bis 1990
●
12 Universitäten/Institute (u.A. CERN,
Technische Hochschule Aachen, Saclay(CEN),
Paris(Coll. de France))
12
Tingting Niu
Quelle der Protonen
Protonen
entstehen durch
Ionisation von
Wasserstoff und
werden dann im
LINAC
und im
USPS≈ 7,0km
(r = 1,1km)
PS
UPS= 628,3m
(→ r ≈ 100m)
vorbeschleunigt,
bevor
_ sie in den
SppS gelangen
●
Proton Synchrotron Booster
(p 50MeV→1,4GeV)
Linear accelerator (Linac)
p(26GeV/c) → Cu Target → p(3,5GeV/c) → AA → p's(~10^11) → PS
Tingting Niu
np
-6
=
10
np
Schubweise
alle 2,4s
„eingekellert“
nach
etwa
24h
mit Hilfe von
Magnetfeldern
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Stochastische Kühlung der
Antiprotonen
●
●
●
Um einen kompakten Strahl aus Antiprotonen hoher Intensität zu
erzeugen wurde die stochastische Kühlung eingesetzt
Abtaster messen die Abweichung der Teilchen von der idealen Bahn
Ein EM-Feld gegenüber korrigiert die Bahn
„kicker“
„pick-up“
Simon van der Meer
14
Tingting Niu
15
Tingting Niu
UA -1 - Detektor
V ≈ 7 x 3,5 x 3,5 m3
gondolas
bouchons
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Tingting Niu
Gondolas : 25°-155°
EM:1,2mm Pb;1,5mm scint.
ΔΕ/E=0,15/√E
hadr.: 50mm Fe; 10mm scint.
ΔΕ/E= 0,8/√E
bouchons :
EM: 5°-25° 4mm Pb; 6mm scint.
ΔΕ/E= 0,12/√E
hadr.: 155°-175° 50mm Fe; 10mm
scint.
ΔΕ/E= 0,8/√E
Hadr. Kalorimeter
el.mag. Kalorimeter
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Elektromagnetisches Kalorimeter:
Nur schematisch
scint.
Schauer
Pb
scint.
Licht
e
Schauer
Pb
Bremsstrahlung & Paarbildung
Spur e-
Scintilationszähler
p
p
Geladene Teilchen werden im Schintilationszähler durch die Messung der Lichtmenge(z.B.
Mit einem Photonmultiplier) gemessen.
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Tingting Niu
IV. Resultate
Entdeckung des Z-Bosons
p+ p→ Z + X
0
+
e +e
Nur schematisch
−
or
+
µ +µ
−
Kein Signa
Had.
El.mag.
Spur vom e
Signal
Spurkammer
ET
p
Tingting Niu
ET = Ecal.-clustercosθ
θ
p
Transversale Energie
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ET > 25 GeV
Spur pT > 7 GeV/c
länge > 40 cm
Hadr. E < 0,8 GeV
4 Ereignisse
mZ
= (95,2 ±2,5) GeV/c2
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Tingting Niu
Untergrund:
(1) Zwei gewöhnliche Jets mit jeweils einem isoliertes π, das im
Kalorimeter ein Elektron simuliert;
Aber die Wahrscheinlichkeit für ein solches
Elektron ist Pe ≈ 6 X 10-3
●
=> Vernachlässigbar
(2) Schwer-Flavour Jet zerfällt in ein Elektron.
Aber man erwartet durch Untergrund
höchstens 10-4 Ereignisse.
●
=> Vernachlässigbar
21
Tingting Niu
Entdeckung der W-Bosonen
±
p+ p→ W + X
±
e +ν
e
Transversal zur pp-Flugrichtung:
eAlle anderen
ETmiss
ETmiss identifiziert man als ν e
Tingting Niu
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Untergrund:
(1) Ein geladenes Pion(hadron) mit hohem pT wird falsch identifiziert als ein
Elektron, oder ein geladenes Pion(hadron) überlappt mit einem oder
mehreren π0
Teststrahl:
Had.
El.mag.
π
●
π
manchmal
Aber im Experiment gab's kein isoliertes Pion!
=> Pπ→e
=> Vernachlässigbar
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Tingting Niu
(2) π0 oder γ mit hohem pT zerfallen wieder in e+e‾ -Paar, wobei ein e
davon einen sehr kleinen Impuls besitzt, sodass nur ein e aus dem Paar
detektiert wird.
anhand:
π0 → γγ ( ≈ 98,8%)
Bethe-Heitler Formel
e+
e+e‾
π0 → e+e‾γ ( ≈ 1,2%)
e‾
Kroll-Wada Formel
(Dalitz - Paar)
Nerwartet = 0,2p0(GeV)
Kann nicht mehr
nachgewiesen sein
Mit p0 = 200 MeV => Nerwartet = 0,2 * 0,2 = 0,04 Ereignisse
(e wird nachgewiesen bei p>200MeV)
=> Vernachlässigbar
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Tingting Niu
Zusammenfassung
Ziel: Suche nach dem intermediären Vektorboson der schwache
Wechselwirkung
●
W
±
&
Z0
(als Lösung der theor. Probleme)
mW
mZ
2
Theo. Vorhersage(anhand sin θw)
●
●
●
Erzeugung der W/Z-Bosonen
Z
UA1-Experiment
W
●
Ergebnisse:
0
q q
= (94 ±2,5) GeV/c2
W/Z+X
: Suche nach e+ und e-
± : Suche nach
(1983)
mW
mZ
= (82±2,4) GeV/c2
= (81±5) GeV/c2
e
±
und ν e
PDG 2008:
(6 Ereignisse) ( = 80,398 ± 0,025 GeV )
= (95,2 ±2,5) GeV/c2 (4 Ereignisse) ( = 91,1876 ± 0,0021 GeV )
25
Tingting Niu
Nobelpreis 1984
"Für ihre
entscheidenden
Einsätze bei dem
großen Projekt, das zur
Entdeckung der
Feldpartikel W und Z,
Vermittler schwacher
Wechselwirkung,
geführt hat"
Simon van der Meer
Carlo Rubbia
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Tingting Niu
Referenzen
●
Donald H. Perkins Hochenergie Physik 3. Auflage(1990)
●
Donald H. Perkins Introduction to High Energy Physics 4th. edition
●
Halzen & Martin Quarks & Leptons
●
●
●
●
Physics Letters Experimental observation of isolated large transverse energy
electrons with associated missing energy at √s = 540 GeV UA1 Collaboration, CERN,
Geneva, Switzerland 24.February 1983
Physics Letters Experimental observation of lepton pairs of invariant mass around 95
GeV/c2 at the CERN SPS collider UA1 Collaboration, CERN, Geneva, Switzerland
7.July 1983
Spektrum der Wissenschaft, Mai 1982 Elementarteilchen: die Fahndung nach
Vektorbosonen von David B. Cline, Carlo Rubbia und Simon van der Meer
Nobel lecture, 8 December, 1984 Stochastic cooling and the accumulation of
antiprotons by Simon van der Meer CERN, CH- 1211 Geneva 23, Switzerland
●
Particle Data Group Particle Physics Booklet July 2008
●
http://web.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/pp34/ua1.pdf
27
Tingting Niu