W and Z Bosons and the 3 Neutrino Families. Sedat Altinpinar

Transkript

1 W and Z Bosons and the 3 Neutrino Families Sedat Altinpinar

2 Theorie/Prediction of Neutrinos -Prediction of a Neutrino Pauli, ß-decay n > p + e + ν e

3 Experimental Discovery of the Neutrinos Cross Section for Neutrino reactions σ = cm Cowan and Reines 1959

4 Discovery of the µ Neutrino Until the end of the '50s : Only one Generation of Neutrinos μ e + ν + ν Bruno Pontecorvo ( ): Why doesn't annihilate the Neutrino and Antineutrino which at the µ- Decay arise? The solution could be that the Neutrinos are different

5 The first HE Neutrino Experiment Melvin Schwartz (*193) was researching about Neutrinos He was interested in the ratio μ μ e e + γ + ν + ν For the case, there is only one type of Neutrinos, the ratio should be 10-4 This value could already at that time be excluded (< 10-8 ) Schwartz had the same idea like Pontecorvo

6 The Brookhaven Experiment at 1960 Spark Chamber The neutrinos react with the Neutrons of the Aluminium ν + n p + μ ( ν + n p + e ) The arrised charged particles leave tracks of ionised Neons. A Scintillator is triggering the High Voltage The tracks are visible as a row of sparks

7 Distinction between e - und µ - Charakteristic Track e - loose more energy µ - are radiating less due to their higher mass

8 Result 1014 Neutrinos traversed the detector 9 Neutrino reactions were measured All produced are Muons If there would exist only one generation of Neutrinos there should arrise in equal amount electrons and muons ν ν μ e

9 Discovery of the Tau Neutrino Discovery of the Tau Lepton 1975 Postulation of the Tau Neutrino Discovery of the Tau Neutrino in 000 with DONUT (Direct Observation of NU Tau) at Fermilab

10 Why is it so difficult to discover the? Neutrinos appear through their charged Lepton partner Lifetime of τ is 300 fs ν τ 's are rare: From Neutrinos only 10 3 have reacted, 4 from them were ν τ ν τ ν τ + n p + τ

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12 Results from DONUT Es wurden 4 Tau Neutrinos nachgewiesen!

13 Prediction of W Z Bosons Glashow-Weinberg-Salam Modell: Electroweak force is mediated by the W +, W -, Z 0 bosons. Prediction of mass

14 Discovery at CERN

15 W + /W - /Z 0 : Where and how shall one search? Measurements with charged and neutral currents (i.e. Muon decay, Neutrino scattering) ergeben Abschätzungen für die Massen für das W ± bzw. Z 0 : M W 80GeV und M Z 90GeV In particle collisions it can be produced new particles up to a mass of M = s Production in e + e - - collisions? (LEP in Planning) but: e+ + e- Z0... aber: e+ + e- W + + W -... (Schwerpunktsenergie von 160GeV notwendig)

16 Am CERN bereits vorhanden: Protonenbeschleuniger SPS mit fixem Target Protonen werden dort auf eine Energie von E P 300 GeV beschleunigt s 5 GeV Neue Idee: Protonen und Antiprotonen aufeinander schießen Vorteile: Antiquark als Valenzquark im Antiproton vorhanden Nur ein Beschleunigungsring nötig Problem: Woher Antiprotonen? Erzeugung durch Beschuss eines Targets mit Protonen: sehr ineffizient! ( N anti-p 10-6 N P)

17 Daher: Notwendigkeit der Speicherung der Antiprotonen um sie zu sammeln neues Problem: Antiprotonen sind heiß (haben große Impulsverteilung) Idee von Simon van der Meer: stochastische Kühlung

18 S.v.d.Meer, 197 Stochastic Cooling Kicker Ein Teilchen, das nicht auf der Sollbahn liegt, influenziert auf dem Pickup ein Signal Dieses Signal wird im Kicker zur Korrektur der Teilchenbahn verwandt Pickup

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20 Principle of stochastic cooling

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22 Nachweis von W ± e ± + ν e Das W zerfällt in zwei Teilchen, ein hochenergetisches e ± (odermyon) und ein Neutrino. Zerfall back to back im Schwerpunktssystem des W. Da das Neutrino nicht detektiert wird, benutzt man missing p T (Impuls!) alssignatur. Der fehlendetransversalimpuls ist betragsmäßig gleich dem des e ± und hat das umgekehrte Vorzeichen =>Man muß den (transversal-) Impuls/Energie allerteilchen bestimmen Zerfälle des W in du,...quark treten häufiger auf, sind aber schwer vom QCD Untergrund zu trennen.

23 Der UA1 Detektor

24 Zentraldetektor

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26 Elektromagmetisches Kalorimeter

27 Hadronen Kalorimeter

28 Magnets

29 Myonen Kammern zwei Ebenen aus je vier Lagen Driftröhren

30 W e + ν

31 E T >15GeV (1,5 * 106events) Isolierte e - Spur im DC mit p T > 7GeV (Faktor100 weniger) Energiedeposition in Hardronen Kalorimeter>600MeV (346 events) Ereignisse ohne Jets(55 events) Ereignisse in der Mitte des Detektors(43 events) 43 events wurden von Hand angeschaut und für gut befunden

32 Missing energy

33 Bestimmung der Masse des W Messung des Transversalimpulses und Transversalenergie m T = p e T p ν T (1 cosφ ve ) Jakobi Peak m W Events per [GeV] p T [GeV ]

34 Transversale Masse

35 Nachweis von Z 0 e + + e - Suche nach isolierten e ± Spuren: hohe Energie im e/m Kalorimeter (>5GeV) und nur wenig Energie im Hadronen Kalorimeter (<800MeV) Ausschluss aller events, wenn alle überigenteichlenzusammen p T >3GeV 4 events nach den cuts Gleiches Schema für µ + µ - liefert insgesamt neun events

36 Nachweis von Z0 e++ e-

37 Energy Deposition

38 Invariante Masse des Z Bestimmung der Masse des Z zu:m Z = (93,9±,9) GeV/c

39 Precision Studies at LEP Lac Léman POINT 8. Genève CERN POINT. CERN Prévessin POINT 6. POINT 4. DELPHI L3 SPS e Electron - + e Positron OPAL ALEPH LEP

40 What happens in e - e + collisions Zu vermessen: Form der Resonanz Zerfallsraten für verschiedene Endzustände Was sind nun die möglichen Zerfallskanäle? Z Weglänge x m

41 Z Decay Channels: Z -> e + e - (Bhabha-Scattering) Z -> m + m - Z -> t + t - Z -> νν Z -> Quark Anti-Quark

42 e+e- : Bhabha_Scattering

43 m+m- : Muon Produktion

44 t+t- : Tau Production

45 t+t- : Tau Production ν τ e + e - Z τ - τ + W - W + u d μ + Pions,Kaons ν μ ν τ

46 Quark-Pair Production

47 Quark-Pair Production m

48 How can we see Neutrinos if they are invisible The Production Probability for Hadrons = σ Hadrons 1π = M Z Γ Γ e total Γ Γ Hadrons total Γ = Resonance Width Γ total = Γ had + 3Γ lepton + N ν Γ ν N ν = Γ Γ l ν 1π R M l Z σ Hadrons R l 3 R l = Γ Γ l Hadrons = (from Theory) Relative Number (Ratio) of leptonic zu hadronic Events

49 -> Counting Experiment Count hadronic Events Count leptonic Events N ν =.9835 ±

50 Precise Measurements M Z = ± GeV / c Γ Z =.4944 ± GeV / c σ 0 had = ± nb sin θ W = ± and other observables consistent with the Standard Model g sin sin θ W θ W = 1 = e M M W Z

51 What for are these precise measurements Example : Prediction of the Top- Quark Mass For this we consider again the reaction e + e - -> Hadrons... e - Quark e + Z Anti-Quark Experimentel precisely measured This is a Quantum - Process

52 Interference-Structure in Intensity Distribution Reminding Some Quantum Mechanics The Double Gap - Experiment Photon - or Elektron Source A 1 A QM gives Probability Distribution for Aufprallort : P = A 1 + A = A 1 + A + ReA 1 *A Interference!! Consider all possible ways, sum their Amplitudes

53 That's Why... e - A 1 A Quark e - Top Quark e + Z + Anti-Quark e + Z Anti-top Z Anti-Quark e - A 3 Quark + Higgs +... e + Z Anti-Quark Sum all possible Ways, to come to the same final state E m + p

54 So... P tot = σ had = A 1 + A + A = = A 1 + A + A 3 + Re A * 1 A +... A 1 >> A >> A 3 >>... A 1 > Re A * 1 A A = f ( m top ) m top A 3 = f ( m Higgs ) log m Higgs If Measurement precision is high -> sensitivity to these Terms -> sensitivity to Top- and even Higgs-Mass

55 RESULT: M top = /- 4.5 GeV/c M higgs = GeV/c 6 4 theory uncertainty Δα had = ± ± Δα (5) Δχ Direct Discovery at Fermilab : M top = /- 5.1 GeV/c 0 Excluded Preliminary m H [GeV]