Messung der Kopplungen des

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1 Diss. ETH Nr und Bericht des Institutes fur Teilchenphysik der ETH Zurich Messung der Kopplungen des elektroschwachen neutralen Stromes an Elektronen Abhandlung zur Erlangung des Titels Doktor der Naturwissenschaften der Eidgenossischen Technischen Hochschule Zurich vorgelegt von Johannes Weber Dipl. Phys. ETH geboren am 19. Mai 1962 von Menziken AG Angenommen auf Antrag von Prof. Dr. H. Hofer Referent Prof. Dr. F. Pauss Korreferent 1994

2 40 Abstract The predictions of the Glashow Salam Weinberg model, the theory of electroweak interactions, can be tested with very high precision at the Large Electron Positron Collider (LEP) at CERN. During the period of data taking from 1990 to 1993, nearly tector. pairs (e+e~). lings two million Z-boson events have been recorded with the L3 de The sample contains about Z-boson decays into electron-positron This particular decay channel has been used to study the coup of the electroweak neutral current to electrons. With the L3 detector cross sections aee as well as forward/backward asymmetries AeFB have been measured at different energies of the LEP machine in the vicinity of the Z resonance. In the electromagnetic calorimeter BGO crystals are used to de termine the energies of electrons, positrons and photons with high precision. Momentum and angular directions of charged particles vertex chamber TEC. This drift muon tracks of known momenta to optimize ment of transverse momenta. At pj are measured with the chamber has been carefully calibrated using the resolution for the measure GeV a resolution of 68 % has been achieved for 83 % of the tracks. Using the additional knowledge of the event topology of 'radiationless' e+e~ final states from Z-boson decays the charges of the two high momentum tracks are assigned. The charge confusion is de termined using fi+n~ events and is 3.1±0.2% in 1992 and 4.5±0.4% for an equivalent period in By restricting the acceptance to the high resolution regions of TEC it is possible to reduce the charge confusion to 2%. The measurement of the cross section for e+e~ > * (Z, 7) e+e~ is based on the selection of events with two electromagnetic clusters with high energy in the BGO calorimeter. The large statistics in the data taking periods 1992 and 1993 allow precise determinations of the cross sections. The measurement of the cross section aee in 1992 on the Z-peak gives ± (stat.) ± (syst.) nb. The four datasets of 1993 at different beam energies have statistical errors of about 1.1% for each period. The systematic errors contain contributions from the luminosity determination of 0.6% in 1992 and 0.3% in 1993 respectively. For the measurement of the forward/backward asymmetry AeFB the signs of the charges for each e+e~-pair must be determined. After correcting the chargeconfusion of TEC and inefficiencies of the BGO calorimeter the asymmetries The statistical errors are for different energies near the Z-peak are obtained. larger than the systematic errors and therefore the asymmetry AFB main an interesting observable for future data taking periods. The measurements of cross sections and asymmetries will re are used to determine The values obtained the effective vector and axial vector couplings ]jy und. ^ by the L3-collaboration in the years are gev = ± and <7^ = ± , which are in excellent agreement with the predictions of the electroweak theory of ify = and g\ = for Mtop = 174 4

3 GeV and Mhiggs 130 GeV. The large statistics in the data taking periods = 1992 and 1993 lead to an improvement of the error of gv by almost a factor of contributs to the three. The measurement of the coupling constants gv and g\ the determination of the effective Weinberg angle sin2 w, which is defined by these effective vector and axial vector couplings. By combining the precision measurements of all four LEP experiments a very precise value for the Weinberg angle can be obtained: sin2qw(mz) = ± , which means a precision of better than 0.2%. The accurate determi nation of this fundamental parameter of the electroweak theory is of crucial importance for experimental tests of 'Grand Unified Theories' (GUT). Such theories combine the strong, weak and electromagnetic interactions to a unified theory. Using the precisely measured values for the three coupling strengths at the scale of the Z-boson mass, it minimal SU(5) model unification cannot be obtained. In can be shown that in the framework of the the supersymmetric of all tree extension of that model, in the SUSY SU(5) model, convergence couplings at very high scales can be achieved using the precise experimental data measured at the Z-Resonance. This leads to a supersymmetric scale of Msusy «1 TeV and to a unification scale of Mj^ y «1016 GeV, energies which occured only very early, about 10~36 seconds after the 'Big Bang', the creation of our universe and space-time itself. 5

4 Zusammenfassung Die Vorhersagen des Glashow-Salam-Weinberg Modells, der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung, konnen am Elektron-Positron-Kollider (LEP) mit grosser Prazision getestet werden. Wahrend der Stahlperioden 1990 bis 1993 wurden mit dem L3 Detektor fast zwei Millionen Z-Boson Ereignisse aufgezeichnet. Diese Datenmenge enthalt etwa Zerfalle der Z-Bosonen in Elektron-Positron Paare (e+e~). Dieser Zerfallskanal wurde verwendet, urn die Kopplungen des elektroschwachen neutralen Stromes an Elektronen zu vermessen. Dazu werden sowohl die Wirkungsquerschnitte aee wie auch die Vorwarts-Riickwarts Asymmetrien AFB bei verschiedenen Strahlenergien des LEP-Beschleunigers im Bereich der Z-Resonanz mit dem L3-Detektor bestimmt. Das elektromagnetische Kristall-Kalorimeter (BGO) erlaubt eine ausgezeichnete Energiemessung von hochenergetischen Elektronen, Positronen und Photonen. Die Impulse und Richtungen geladener Teilchen werden in der Vertexkammer TEC vermessen. Diese Driftkammer wurde mit Hilfe von Myon- Spuren bekannten Impulses sorgfaltig kalibriert, um die Auflosung der Transversalimpulse zu optimieren. Dabei wurde fur 83% der Spuren mit Transversalimpulsen von px 40 GeV eine Auflosung = von 68% erreicht. Mit Hilfe zusatzlicher Information aus der Topologie des e+e_-zerfalls von Z-Bosonen werden den beiden hochenergetischen Spuren Ladungen zugeordnet. Die Ladungskonfusion wird mit /x+/z~-ereignissen vermessen und betragt 3.1±0.2 % im Jahre 1992 und 4.5±0.4 % fur eine vergleichbare Strahlperiode Durch Beschrankung von auf die hochaunosenden Bereiche der TEC kann die Ladungskonfusion auf Kosten der Akzeptanz auf 2% reduziert werden. Die Messung des Wirkungsquerschnittes fur e+e~ (Z, 7) > e+e~ beruht auf der Selektion von Ereignissen, welche zwei hochenergetische elektromagnetische Schauer im BGO-Kalorimeter aufweisen. Durch die hohe Statistik der Daten in den Jahren 1992 und 1993 konnen die Wirkungsquerschnitte mit guter Prazision bestimmt werden. Der Messpunkt im Jahre 1992 am Maximum der Z-Resonanz liefert im betrachteten Intervall fur den Polarwinkel von 44 bis 136 einen Wirkungsquerschnitt von aee = ± (stat.) ± (syst.) nb. Fur die vier Messperioden des Jahres 1993 bei verschiedenen Strahlenergien ergeben sich statistische Fehler von 1.1% pro Messpunkt. Der systematische Fehler enthalt einen Beitrag von 0.6% aus der Bestimmung der Luminositat in der Messperiode 1992, bzw. 0.3% fur mussen die bei- Fur die Messung der Vorwarts-Ruckwarts Asymmetrie AFB den Ladungsvorzeichen der e+e~-paare bestimmt werden. der Ladungskonfusion Asymmetrien fur die verschiedenen Strahlenergien Nach Korrektur und der Ineffizienz des BGO-Kalorimeters werden die im Bereich der Z-Resonanz bestimmt. Die statistischen Fehler dieser Werte sind grosser als der syste matische Fehler, sodass die Asymmetrie AFB Messgrosse darstellt. auch weiterhin eine interessante 6

5 Aus den Messungen von Wirkungsquerschnitten und Asymmetrien werden die effektiven Vektor- und Axialvektor-Kopplungskonstanten <7y und (7^ bestimmt. Die im L3-Experiment aus alien Stahlperioden der Jahre gemesse nen Werte sind 7fy = ± und g^ = ± , die gut mit der Voraussage der elektroschwachen Theorie von g~y = und fa (Mtop 174 GeV, Mhiggs 130 GeV) iibereinstimmen. = = = die Vergrosserung Durch der Statistik mit Daten von 1992 und 1993 konnte der Fehler von ~g~y von um fast einen Faktor drei reduziert werden. Die Messung der beiden Kopplungskonstanten ~g?a und ~ga leistet einen Beitrag zur Bestimmung des effektiven Weinbergwinkels sin2 w, der durch die effektiven Vektor- und Axialvektorkopplungen definiert ist. Werden alle Prazisionsmessungen der vier LEP Experimente zusammengefasst, so erhalt man fur den Weinbergwinkel, gemessen an der Z-Resonanz, einen Wert von sin2 w(mz) ± , das ist eine Messgenauigkeit von besser als 0.2%. Diese prazise Bestimmung des Weinbergwinkels, der einer der fundamentalen Parameter der elektroschwachen Theorie darstellt, ist von Bedeutung fur experimentelle Tests von 'Grossen Vereinheitlichten Theorien', welche die starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkung zu einer einzigen Theorie zusammenfassen. Mit den genau gemessenen Werten fur die drei Kopplungen bei der Energieskala der Z-Resonanz kann gezeigt werden, dass mit dem minimalen SU(5)-Modell keine Vereinheitlichung erzielt werden kann, da die Vorhersage dieses Modells fur den Weinbergwinkel nicht mit der experimentellen Messung ubereinstimmt. In der supersymmetrische Erweiterung des SU(5)-Modells ist eine Konvergenz der Kopplungen vorliegenden experimentellen Daten durchaus moglich. auf Grund der Dies weist auf eine Massenskala der Supersymmetrie in der Grossenordnung von Msusy & 1 TeV und einer Energieskala der Vereinheitlichung der drei Wechselwirkungen bei MqutY ~ 1016 GeV hin, Energien also, die nur zu sehr fruhen Zeiten existierten, etwa 10~36 Sekunden nach dem Urknall, der Erschaffung Zeit. von Raum und 7