Die Entdeckung schwacher neutraler Ströme Die Entdeckung von W ± und Z 0

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1 Die Entdeckung schwacher neutraler Ströme Die Entdeckung von W ± und Z 0 Philipp von Weitershausen 16. Mai 2007

2 Inhalt 1 Die schwache Wechselwirkung Der β-zerfall und das Neutrino Die Fermi-Theorie Die elektroschwache Vereinigung 2 Das Gargamelle-Experiment Gargamelle ν-e -Streuung Hadronische CC/NC-Ereignisse 3 Die UA1- und UA2-Experimente Der SppS-Collider Identifikation des W Identifikation des Z 0 4 LEP1 und LEP2

3 Inhalt 1 Die schwache Wechselwirkung Der β-zerfall und das Neutrino Die Fermi-Theorie Die elektroschwache Vereinigung 2 Das Gargamelle-Experiment Gargamelle ν-e -Streuung Hadronische CC/NC-Ereignisse 3 Die UA1- und UA2-Experimente Der SppS-Collider Identifikation des W Identifikation des Z 0 4 LEP1 und LEP2

4 Der β-zerfall und das Neutrino 1903 Ernest Rutherford (Quelle: cerncourier.com)

5 Der β-zerfall und das Neutrino 1903 e n Rutherford erklärt die Radioaktivität als Kernumwandlung Den Elektronen emittierenden Zerfall nennt er β-zerfall (Nobelpreis der Chemie 1908) p

6 Der β-zerfall und das Neutrino 1911 Lise Meitner und Otto Hahn (Quelle: photos.aip.org)

7 Der β-zerfall und das Neutrino 1911 Meitner und Hahn entdecken die kontinuierliche Verteilung der Elektronenenergie (oben: Energieverteilung der β-strahlung von Radium E). Der β-zerfall kann kein Zweikörperzerfall sein.

8 Der β-zerfall und das Neutrino 1930 Wolfgang Pauli (Quelle: fnal.gov)

9 Der β-zerfall und das Neutrino 1930 ν e n p Lösung Pauli schlägt weiteres Teilchen (Neutrino) zur Energie- und Impulserhaltung vor. e

10 Die Fermi-Theorie 1934 Enrico Fermi (Quelle: photos.aip.org)

11 Die Fermi-Theorie 1934 Fermi beschreibt 1934 den β-zerfall als 4-Punkt-Prozess mit Strömen analog zur Elektrodynamik: H = g d 3 x J µ (x) J }{{} µ (x) }{{} p n e ν n G F ν e p p n (Skalar) e J µ? = p γ 5 n p γ µ n (Pseudoskalar) (Vektor) p γ µ γ 5 n p σ µν n (Axialvektor) (Tensor)

12 Die Fermi-Theorie 1938 Oskar Klein (Quelle: physics.miami.edu)

13 Die Fermi-Theorie 1938 p n ν e Oskar Klein entwickelt die Idee, die schwache Kraft mit massiven geladenen Feldquanten zu quantisieren: The role of these particles, and their properties, being similar to those of the photons, we may perhaps call them electro-photons (namely electrically charged photons). e

14 Die Fermi-Theorie 1956 Tsung-Dao Lee und Chen-Ning Yang (Quelle: photos.aip.org) Chien-Shiung Wu (Quelle: physics.nist.gov)

15 Die Fermi-Theorie 1956 ϑ und τ scheinen das gleiche Teilchen zu sein (K + ), zerfallen aber in Teilchen unterschiedlicher Parität: ϑ π + π 0 τ π + π 0 π 0 / π + π π + Lee und Yang stellen die Hypothese auf, dass die schwache Wechselwirkung paritätsverletzend wirkt (Nobelpreis 1957). Wu bestätigt die Paritätsverletzung experimentell. Sudharsan und Marshak sowie Feynman und Gell-Mann entwickeln die V-A-Theorie zur mathematischen Beschreibung. Problem: Divergent bei hohen Energien.

16 Die elektroschwache Vereinigung 1961 Glashow entwickelt die Eichtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung mit vier Austauschteilchen: SU(2) I W U(1)Y W W 1,W 2,W 3 und B Daraus enstehen neben den W-Bosonen (ladungsbehaftete Ströme) auch die neutralen Bosonen Photon und Z 0 : ( γ Z 0 ) = ( )( cos θw sinθ w B sinθ w M Z = M W cos θ W cos θ w W 3 )

17 Die elektroschwache Vereinigung Problem: Die Eichtheorie verlangt masselose Austauschteilchen, Masse aber wegen der geringen Reichweite notwendig. Higgs zeigt 1964, dass eine spontane Symmetriebrechung für massebehaftete Austauschteilchen in Eichtheorien sorgen kann. Salam und Weinberg integrieren den Higgs-Mechanismus in die elektroschwache Wechselwirkung und erklären damit die Masse von W ± und Z 0 (Nobelpreis 1979 mit Glashow). t Hooft und Veltman zeigen 1972 die Renormalisierung der elektroschwachen Eichtheorie (Nobelpreis 1999).

18 Die elektroschwache Vereinigung 1972 Ergebnis: Damit ist die Eichtheorie der elektroschwachen Wechselwirkung komplettiert, einziger freier Parameter ist sin 2 θ W. Frage an die Experimentatoren: Existieren also neutrale Ströme oder nicht?

19 Inhalt 1 Die schwache Wechselwirkung Der β-zerfall und das Neutrino Die Fermi-Theorie Die elektroschwache Vereinigung 2 Das Gargamelle-Experiment Gargamelle ν-e -Streuung Hadronische CC/NC-Ereignisse 3 Die UA1- und UA2-Experimente Der SppS-Collider Identifikation des W Identifikation des Z 0 4 LEP1 und LEP2

20 Gargamelle Die Gargamelle-Kollaboration Kollaboration von TH Aachen UL Brüssel CERN Ecole Polytechnique Paris INFN Mailand LAL Orsay UC London Blasenkammer gebaut ab 1968, Länge 4.8m, Durchmesser 1.9m gefüllt mit CF 3 Br ( Freon ), Dichte 1500kg/m 3 ν µ - bzw. ν µ -Strahl (1-2 GeV) aus Protonensynchroton (PS)

21 Gargamelle Die Gargamelle-Blasenkammer Die Gargamelle Blasenkammer (Quelle: livefromcern.web.cern.ch)

22 Gargamelle Warum entdeckte man neutrale Ströme nicht vorher? Antwort 1 Geringe Priorität gegenüber anderen Dingen, z.b. der Bestätigung von Alternativen zur Eichtheorie (Diagonalmodell) [11]:

23 Gargamelle Warum entdeckte man neutrale Ströme nicht vorher? Antwort 2 Propagator des Photons ist wesentlich größer bei niederenergetischen Streuexperimenten mit geladenen Leptonen: αw Z 0 αem γ e e e e M q2 q 2 mz 2 1 M q2 q 2 m 2 γ 1 Antwort 3 Reaktionen nur mit Neutrinos schwer zu detektieren.

24 ν-e -Streuung Der NC-Kandidat 1972 Elektronenspur im ν µ -Strahl (von rechts)

25 ν-e -Streuung Der NC-Kandidat 1972 Interpretation als elastische ν µ -e -Streuung ν µ Z 0 e Vergleich mit dem Weinberg-Modell Vorhersage Neutrinofluss/m 3 min max Untergrund Beobachtet ν ± ν ±

26 ν-e -Streuung Ergebnis für den Weinberg-Winkel Ergebnis [4] 0.1 < sin 2 θ W < 0.6

27 Hadronische CC/NC-Ereignisse Hadronische Ereignisse NC ν ν CC ν µ Z 0 W Hadronen Hadronen N N CC unterscheidet sich von NC durch das nachweisbare Myon im Endzustand.

28 Hadronische CC/NC-Ereignisse Beispielereignis (NC)

29 Hadronische CC/NC-Ereignisse Untergrund: hauptsächlich Wechselwirkung mit Neutronen oben: Untergrundereignis B (nicht von NC zu unterscheiden); unten: Assoziiertes Ereignis AS (CC mit Sekundärneutron) [11] Frage Handelt es sich bei den NC-Kandidaten vielleicht immer um Neutronenwechselwirkungen und gar nicht um neutrale Ströme?

30 Hadronische CC/NC-Ereignisse Erster Hinweis auf echte NC-Ereignisse Für Neutronenwechselwirkung (Untergrundereignis B) würde man eine exponentielle Abnahme in x-richtung erwarten. Die Longitudinal- unten und Radialverteilungen von NC und CC waren aber ähnlich [4].

31 Hadronische CC/NC-Ereignisse Probleme Die Räumliche-Verteilung der NC-Ereignisse ist alleine nicht aussagekräftig, da der Neutrinofluss große radiale Reichweite hat und in den Spulen Neutronen entstehen lassen kann, hochenergetische Neutronen Kaskaden produzieren, d.h. nicht λ i sondern λ C bestimmt die räumliche Verteilung, mit λ i < λ C, λ C = λ C (E) Eine bessere Begründung für die NC-Ereignisse musste gefunden werden.

32 Hadronische CC/NC-Ereignisse Genauere Untersuchungen des Untergrunds Man führte eine Monte-Carlo-Simulation der Neutronenwechselwirkung durch und bestimmte B AS = 0.7. Damit konnte von der bekannten Anzahl der AS-Ereignisse auf die Untergrundereignisse geschlossen werden: n B = B AS n AS Ergebnis der Auszählung, Untergrund aus Berechnung NC CC AS B ν ν Nur wenige NC-Ereignisse werden also von Neutronen (B) verursacht.

33 Hadronische CC/NC-Ereignisse Ergebnis Ergebnis [4] R ν = (NC/CC) ν = 0.21 ± 0.03 R ν = (NC/CC) ν = 0.45 ± 0.09 Mit R ν = 1 2 sin2 θ W sin4 θ W R ν = 1 2 sin2 θ W sin4 θ W folgen 0.3 < sin 2 θ W < 0.4 π α 37 GeV und M W = = 70 GeV 2GF sinθ W sinθ W

34 Hadronische CC/NC-Ereignisse Ergebnis aus [11]

35 Inhalt 1 Die schwache Wechselwirkung Der β-zerfall und das Neutrino Die Fermi-Theorie Die elektroschwache Vereinigung 2 Das Gargamelle-Experiment Gargamelle ν-e -Streuung Hadronische CC/NC-Ereignisse 3 Die UA1- und UA2-Experimente Der SppS-Collider Identifikation des W Identifikation des Z 0 4 LEP1 und LEP2

36 Der SppS-Collider Wie W und Z erzeugen? p + p W,Z Benötigte neuartigen Collider und s 600 GeV, da man Gluonen zur Anregung der Quarks benötigt. e + e + Z bzw. W + W Benötigt s = M Z bzw. 2M W, was erst mit LEP1 (1989) bzw. LEP2 (1996) möglich war. p + p W,Z Im existierenden CERN Superprotonensynchroton (SPS) möglich (dann SppS genannt).

37 Der SppS-Collider Carlo Rubbia und Simon van der Meer Carlo Rubbia und Simon van der Meer (Quelle: cerncourier.com)

38 Der SppS-Collider Der SppS Collider Rubbia überzeugt die CERN-Leitung, SPS in SppS umzuwandeln. aus [9]

39 Der SppS-Collider Stochastische Kühlung Van der Meer erfindet die stochastische Kühlung, um Antiprotonen aus einer Fixed-Target-Kollision im Protonensynchroton (PS) aufzubewahren. Quelle:

40 Der SppS-Collider Gesuchte Reaktionen W d ν e Z 0 q l W Z 0 u e q l +

41 Der SppS-Collider Der UA1-Detektor Der Detektor nahm m 3 ein und wog 2000 Tonnen. Er umgab den Kollisionspunkt komplett bis auf 0.2 Grad in Azimuthrichtung für den Protonenstrahl [9].

42 Der SppS-Collider Schematischer Querschnitt des UA1-Detektors Der UA1-Detektor konnte in der ersten elektronischen Blasenkammer die Trajektorie geladener Teilchen rekonstruieren. Es konnten Hadronen, Elektronen, Myonen und Photonen identifiziert werden [9].

43 Der SppS-Collider Der UA2-Detektor Der UA2-Detektor war kompakter als der UA1-Detektor und speziell auf Detektion von Elektronen und γ-schauern ausgelegt [8].

44 Identifikation des W Ein mögliches W-Ereignis Quelle: cdsweb.cern.ch

45 Identifikation des W Ereignisse aussortieren Frage: pp-kollision erzeugte > Ereignisse/s, per Trigger wurden uninteressante Ereignisse gleich aussortiert. Nur Ereignisse mit mehr als 10 GeV Transversalenergie in zwei Detektorelementen wurden aufgezeichnet. Bei der Spitzenluminosität L = cm 2 s 1 wurden ca. 0.2 Ereignisse/s aufgenommen. Nach einigen Auswahlkriteren konnten 6 leptonische Zerfälle (5 e, 1 τ ) unter den vielen Ereignissen mit Jets identifizert werden. Der Ursprungsimpuls der Quarks ist nicht bekannt und das ν nicht detektierbar. Wie kann man die W -Masse zweifelsfrei bestimmen?

46 Identifikation des W Die Methode der fehlenden transversalen Energie Per Rechner wird die Transversalenergie E t aufaddiert. Fehlende Transversalenergie wird dem ν zugeschrieben. Bei den leptonischen Ereignissen fehlt die Transversalenergie in entgegengesetzter Richtung zu e [5].

47 Identifikation des W Die Methode der fehlenden transversalen Energie Es gelten m 2 t = 2p e t p ν t (1 cos φ νe ) und m W m t. Mit den 5 e -Ereignissen konnte man m W > 73GeV bestimmen. Genauere Werte lieferte Vergleich mit Vorhersagen über Drell-Yan-Prozesse, mit denen man vom Transversalimpuls von e,ν auf den Transversalimpuls des W schließen konnte. aus [5]

48 Identifikation des W Ergebnisse Ergebnis UA1 [5] Ergebnis UA2 [6] Damaliger theoretischer Wert M W = (81 ± 5) GeV M W = ( ) GeV M W = (82 ± 2.4) GeV (aus dem bekannten Weinberg-Winkel sin 2 θ W = 0.23 ± 0.01)

49 Identifikation des Z 0 Wettrennen um Z 0 Verzweigungsverhältnisse von W lν betragen je 11%, von Z l + l nur 3%. Suche nach Z 0 benötigt daher mehr Ereignisse, dauert also länger als beim W. UA2 findet im Dezember 1982 (während der Suche nach W ) schon ein Z 0, allerdings trifft eines der Elektronen die Magnetspule. Während UA2 im März/April 1983 nach weiteren bestätigenden Ereignissen sucht, misst UA1 ein einwandfreies Z 0. UA1 gewinnt das Wettrennen wieder einmal. Rubbia und van der Meer erhalten den Nobelpreis 1984.

50 Identifikation des Z 0 Das erste Z 0 -Ereignis Quelle: cdsweb.cern.ch

51 Identifikation des Z 0 Ereignisse aussortieren Einfacherere Auswertung als bei W, da alle Reaktionsprodukte (e + e bzw. e + e γ) detektierbar. Reduktion der gemessenen Ereignisse durch strenge Auswahlkriterien. Bei 8 Ereignissen entspricht wenigstens ein Elektron den Auswahlkriterien, bei 3 Ereignissen sogar beide Elektronen (unten schraffiert) [8].

52 Identifikation des Z 0 Analyse der einzelnen Ereignisse links: Längssicht eines e + e -Ereignisses rechts: Legodiagramm der E t (θ, φ)-verteilung desselben Ereignisses [8]

53 Identifikation des Z 0 Analyse der einzelnen Ereignisse (Forts.) links: Quersicht eines e + e γ-ereignisses rechts: Legodiagramm der E t (θ, φ)-verteilung desselben Ereignisses [8]

54 Identifikation des Z 0 Ergebnisse Ergebnis UA2 [8] M Z = (91.9 ± 1.3 ± 1.4) GeV Mit dem damals bekannten Wert M W = 81.0 ± 2.5 ± 1.3 GeV ergibt sich Ergebnis UA1 [7] = M W M Z cos θ W = ± M Z = (95.2 ± 2.5) GeV = 0.94 ± 0.06

55 Inhalt 1 Die schwache Wechselwirkung Der β-zerfall und das Neutrino Die Fermi-Theorie Die elektroschwache Vereinigung 2 Das Gargamelle-Experiment Gargamelle ν-e -Streuung Hadronische CC/NC-Ereignisse 3 Die UA1- und UA2-Experimente Der SppS-Collider Identifikation des W Identifikation des Z 0 4 LEP1 und LEP2

56 LEP LEP (27 km Umfang) und SPS (7 km Umfang) im Genfer Umland Quelle: particlephysics.ac.uk

57 Geschichte LEP vor 1983 LEP (Large Electron Positron Collider) wird zur Entdeckung von W und Z geplant Inbetriebname mit s 91 GeV zur Erzeugung von reellen Z Erhöhung der Strahlenergie auf 82 GeV zur Erzeugung von reellen W -Paaren ( LEP2 ) 2000 Abschaltung für den Umbau zum LHC, s 208 GeV. Experimente (Detektoren): Aleph (Apparatus for LEP Physics) Delphi (DEtector with Lepton, Photon and Hadron Identification) Opal (Omni-Purpose Apparatus at LEP) L3

58 LEP: M Z Mass of the Z Boson Experiment M Z [MeV] ALEPH ± 3.1 DELPHI ± 2.8 L ± 3.0 OPAL ± 2.9 χ 2 / dof = 2.2 / 3 LEP ± 2.1 common error M Z [MeV] aus [14]

59 LEP: M W Mass of the W Boson (preliminary) Experiment M W [GeV] ALEPH ± DELPHI ± L ± OPAL ± χ 2 / dof = 29.6 / 37 LEP ± M H [GeV] 10 2 α (5) had = ± linearly added to M t = 178.0±4.3 GeV M W [GeV] aus [14]

60 LEP: 80.6 m t = ± 4.3 GeV m H = GeV M W [GeV] m H m t 80 α 68% CL ρ l aus [14]

61 Aktuellste Ergebnisse Letzte Ergebnisse von LEP und SLD (2006) [14]: M Z = ( ± ) GeV Γ z = ( ± ) GeV sin 2 θeff l = ± l = ±

62 Zusammenfassung Die Entdeckung schwacher neutraler Ströme bestätigte Glashows elektroschwache Eichtheorie und verwarf die die Idee der 4-Punkt-Wechselwirkung und alternative Eichtheorien. Durch die Erzeugung und genauen Vermessung reeller W - und Z-Bosonen konnten auch die quantitativen Voraussagen des Standardmodells der Teilchenphysik bestätigt werden. Mit der Erzeugung des Higgs-Bosons im LHC erhofft man sich weitere Bestätigung des Standardmodells und Erkenntnis über seine Grenzen.

63 Anhang Literatur I [1] Povh, Rith, Scholz, Zetsche Teilchen und Kerne Springer-Verlag, 2004 [2] Cahn, Goldhaber The Experimental Foundations of Particle Physics Cambridge University Press, 1991 [3] F. J. Hasert et al. [Gargamelle Neutrino Collaboration], Phys. Lett. B 46 (1973) 121. [4] F. J. Hasert et al. [Gargamelle Neutrino Collaboration], Phys. Lett. B 46 (1973) 138. [5] G. Arnison et al. [UA1 Collaboration], Phys. Lett. B 122 (1983) 103.

64 Anhang Literatur II [6] M. Banner et al. [UA2 Collaboration], Phys. Lett. B 122 (1983) 476. [7] G. Arnison et al. [UA1 Collaboration], Phys. Lett. B 126 (1983) 398. [8] P. Bagnaia et al. [UA2 Collaboration], Phys. Lett. B 129 (1983) 130. [9] C. Rubbia, Nobel Lecture 1984 [10] D. Denegri, Cern Courier 43 (2003) 4, 13

65 Anhang Literatur III [11] D. Perkins, Cern Courier 43 (2003) 5, 22 [12] P. Darriulat, Cern Courier 44 (2004) 3, 13 [13] D. Haidt, Eur. Phys. J. C 34 (2004) 25. [14] ALEPH, DELPHI, L3, OPAL, SLD Collobrations, LEP EWWG, Phys. Rept. 427 (2006) 257