Standardmodelltests: W- und Z-Bosonen

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1 Hauptseminar: Höchstenergetische Teilchenbeschleuniger Standardmodelltests: W- und Z-Bosonen Claudio Heller

2 Inhalt Einführung und Theorie Produktion der Eichbosonen bei Cern und Fermilab Massenbestimmung für W-Boson W-Zerfallsbreite W-Produktions-Asymmetrie Drei-Eichboson-Kopplung

3 Geschichtlicher Rückblick 1896 Entdeckung der Radioaktivität durch H. Becquerel 1898 Marie und Pierre Curie beobachten weitere Radioaktivität Elemente 1914 Chadwick: β-strahlen besitzen ein kontinuierliches Energiespektrum W. Pauli postuliert das Neutrino mit Spin ½ n p e - e 1956 Nachweis des Neutrinos

4 Theorie des β-zerfalls 1933 E. Fermi entwickelt erste Theorie zur schwachen Wechselwirkung mit der Fermikonstante G F Kontakwechselwirkung G F wird aus dem Myonenzerfall bestimmt m c 2 5 c G F Theorie versagt bei hohen Energien tot e e - e - e G F G F 1, , c 3 G F 2 c 4 s e e - GeV 2

5 Schwache Wechselwirkung Einführung von massiven Austauschbosonen W + und W - G F 2 c 3 8 g w m w c 2 2 e g W sin W

6 Paritätsverletzung beim β-zerfall 1957 Wu-Experiment 60 27Co 60 28N i e - e Erwartung: rechts- und linkshändige Elektronen gleichwahrscheinlich Ergebnis: nur linkshändige e - Austauschbosonen koppeln nur an linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen

7 Elektroschwache Theorie 1967 Glashow, Salam und Weinberg entwickeln Theorie zur Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung 4 masselose Eichbosonen B0,W 1,W 2,W 3 W +/- 1 2 W 1 iw 2 Z 0 W 3 cos W B 0 sin W W 3 cos W B 0 sin W

8 Fermionen des Standardmodells

9 Eichboson-Fermionkopplung Leptonen W + W - Z 0 ν e e + e - ν μ μ + μ - e e e ν τ τ + τ - e + e - Quarks u d ' c s' t b' u d ' c s' t b ' μ + μ - τ + τ - u u c c t t d ' d ' s ' s' b ' b'

10 Entdeckung neutraler Ströme e - e -

11 Nachweis von W- und Z-Boson 1983 Erste Beobachtung durch C.Rubbia und S. Van der Meer Proton-Antiproton-Kollision am SPS q W q Z 0 l q' l q l

12 Z o Spuren p p Z 0 e + e -

13 Z 0 -Boson LEP: präzise Massen- und Zerfallsbreitenbestimmung e + Z 0 f e - f m Z 91,1876 0,0021GeV Z 2,4952 0,0023Gev T

14 Produktion von W +/- und Z 0 Tevatron Wirkungsquerschnitt q q' W +/- l q q Z 0 l l N Ldt L n 1 n 2 f p A LHC: pp-kollision Antiquarks aus Teilchensee CMS: Vergleich von W- und Z-Zerfallskanälen W Z

15 Bestimmung von m W D0 und CDF am Tevatron u d W - l - m W 2 E l E 2 p l p 2 Gesamtimpuls nicht bekannt Transversale Masse m T 2 E T,l E T, 2 p T, l p T, 2 m T 2 2 p T, l p T, 1 cos l p T,ν wird aus fehlender Energie berechnet

16 Bestimmung von m W m W wird durch fit an die transversale Masse bestimmt

17 Bestimmung von m W Monte Carlo Simulation mit m W als Parameter Am besten passendste Kurve liefert gesuchte W-Masse

18 Bestimmung von Γ W Direkte Messung aus Verteilung der Transversalmasse Simulation verschiedener Zerfallsbreiten Indirekte Messung R W Z B W B Z e ee W Z Z Z ee W e W Reduzierung der systematischen Fehler

19 Bestimmung von ΓW

20 W-Produktions-Asymmetrie u-quarks haben größeren Impulsanteil als d-quarks W + vorwärts boost W - rückwärts boost

21 W-Profuktions-Asymmetrie Asymmetrie beim Zerfall

22 VR-Ladungs-Asymmetrie 1 y W 2 log tan E p l E p l e log tan 2

23 VR-Ladungs-Asymmetrie

24 Drei-Eichboson-Kopplung Schwelle für W-Paar-Produktion bei LEP überschritten Messung von Wirkungsquerschnitt und Verzweigungsverhätnissen Messung der W-Masse Untersuchung der Drei-Eichboson-Kopplung

25 Drei-Eichboson-Kopplung Zerfallskanäle rein hadronisch semi leptonisch rein leptonisch W + W - q q q q W + W - q q l W + W - l l Verschiedene Endzustände Verschiedene Anzahl an Jets Energie- und Impulsungleichgewicht bei Neutrino- Ereignissen

26 Drei-Eichboson-Kopplung (TGC) Nachweis des Drei-Eichboson-Vertex

27 Theoretische Beschriebung der TGC 7 unabhängige Terme für WWZ 7 unabhängige Terme für WWγ unter elektromagnetischer Eichinvarianz, C- und P- Erhaltung bleiben 5 Parameter λ Z, Δκ Z, Δg 1z, λ γ, Δκ γ (im SM alle 0) mit SU(2) x U(1) Eichinvarianz Z g 1 Z tan 2 W Z

28 TGC Interpretation der Parameter Ladung Magnetische Dipolmoment W Q W e 1 g 1 Z e Z 2 Z g 2m 1 w Z Elektrisches Quadrupolmoment q w e m w 2 1 Z Z

29 TGC

30 TGC

31 TGC

32 TGC Theorie: Δg 1z, λ γ, Δκ γ 0,01 wenn W und Z eine innere Struktur haben W hat kein messbares magnetisches Dipol- oder elektrisches Quadrupolmoment