Die Entdeckung der W- und ZBosonen am CERN

Transkript

1 Die Entdeckung der W- und ZBosonen am CERN Das erste Z0-Boson

2 Übersicht: Historische Bemerkungen und Theorie der schwachen Wechselwirkung SPS Der pp-beschleuniger des CERN Die Detektoren: UA1 und UA2 Suche nach den W's und dem Z0

3 Historische Bemerkungen und Theorie 1934: Fermi stellt erste quantitative Theorie des β-zerfalls auf punktförmige Wechselwirkung GF = GeV-2 Problem: * Wirkungsquerschnitt divergiert σ ~ s (s: Quadrat der Schwerpunktsenergie)

4 Historische Bemerkungen und Theorie 1960: Glashow postuliert drei Austauschteilchen: W+, W- und Z0 Wechselwirkung durch Teilchenaustausch GF g²w / (q² + m²w) g²w : Kopplungskonstante der schwachen WW q²: Viererimpulsübertrag m²w: Masse des W's 1966/67: Weinberg, Salam und Ward schlagen eine lokale Eichtheorie SU(2)xU(1) als vereinheitlichte Theorie für die elektromagnetische und schwache Wechselwirkung vor

5 Historische Bemerkungen und Theorie Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung (I): koppelt an linkshändige Leptonen und Quarks dabei gilt Leptonenzahlerhaltung innerhalb einer Familie bei Quarks gilt dies nicht strikt (CKM - Matrix) Universalität: alle Leptonen und Quarks haben die gleiche schwache Ladung d.h. W+/W- koppeln an alle Leptonen/Quarks gleich stark Z0 koppelt zusätzlich an elektrische Ladung

6 Historische Bemerkungen und Theorie Eigenschaften der schwachen Wechselwirkung (II): Unterscheidung: 1) geladene Ströme, vermittelt durch W+ bzw. W- e e Leptonische Prozesse: Semileptonische Prozesse: Nichtleptonische Prozesse: L + νl L' + νl' q1 + q2 L + νl q1 + q2 q3 + q4 für uns wichtig! 2) neutrale Ströme (experimenteller Nachweis 1973), vermittelt durch Z0 - z.b. νe Z0 e- νe e- u u Z0 e- e+

7 Der Beschleuniger W+/W-/Z0: Wo und wie soll man danach suchen? Messungen an geladenen und neutralen Strömen (z.b. Myonenzerfall, Neutrinostreuung) ergeben Abschätzungen für die Massen für das W± bzw. Z0: MW 80GeV und MZ 90GeV In Teilchenkollisionen können neue Teilchen bis zu einer Masse M = s erzeugt werden. Erzeugung in e+ e- - Kollisionen? (LEP in Planung) aber: e+ + e- Z0... e+ + e- W+ + W-... (Schwerpunktsenergie von 160GeV notwendig) weiteres Problem: e+/e- haben bestimmte Schwerpunktsenergie, benötigte Energie jedoch nicht genau bekannt

8 Der Beschleuniger W+/W-/Z0: Wo und wie soll man danach suchen? Andere Möglichkeit: Erzeugung durch q q - Kollisionen! Am CERN bereits vorhanden: Protonenbeschleuniger SPS mit fixem Target Protonen werden dort auf eine Energie von EP 300 GeV beschleunigt s 25 GeV Idee: Zwei Protonenstrahlen aufeinander schießen s = GeV = 600 GeV? NEIN, da Quarks nur einen Bruchteil x des Protonenimpulses tragen: Valenzquarks: <xv> 0.12 Seequarks: <xs> 0.04 s GeV 42 GeV Neue Idee: Protonen und Antiprotonen aufeinander schießen Vorteile: Antiquark als Valenzquark im Antiproton vorhanden Nur ein Beschleunigungsring nötig

9 Der Beschleuniger Problem: Woher Antiprotonen? Erzeugung durch Beschuss eines Targets mit Protonen: sehr ineffizient! (NP 10-6 NP) 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

10 Der Beschleuniger Die Wirkung der stochastischen Kühlung:

11 Der Beschleuniger

12 Die Detektoren Die Detektoren: UA1 und UA2 Interessante Zerfallskanäle: W± e± + νe / μ± + νμ Z0 e+ + e- / μ+ + μ- Daraus resultierende Anforderungen an die Detektoren: * Unterscheidung zwischen Hadronen und geladenen Leptonen muss möglich sein * Energie und Impuls der geladenen Teilchen muss gemessen werden * möglichst vollständige Abdeckung des gesamten Raumbereichs durch die Detektoren ( 4π - Detektor )

13 Die Detektoren UA1 - der Allzweckdetektor Seitenansicht:

14 Die Detektoren UA1 - der Allzweckdetektor Driftkammer als Zentraldetektor: befindet sich in Magnetfeld (0.7 Tesla) Impulsmessung räumliche Auflösung von 290µm Energieverlust de/dx wird bis auf 16% genau gemessen

15 Die Detektoren UA1 - der Allzweckdetektor Elekrokalorimeter zur Energiemessung der Elektronen: Hadronisches Kalorimeter zur Energiemessung der Hadronen:

16 Die Detektoren UA2 Kalorimetrie pur!

17 Die Suche Die Suche am UA1 allgemeinen Triggerschwellen: * Elektrontrigger : mind. 12 GeV Transversalenergie in zwei benachbarten Teilen des Elektrokalorimeters * Myontrigger : mind. eine Spur im Zentralbereich des Myonendetektors, die in Richtung des Kollisionspunktes zeigt * Jet-Trigger : mind. 20 GeV Transversalenergie in einem Cluster des Hadronkalorimeters * globaler ET-Trigger : mind. 50 GeV Transversalenergie in allen Kalorimetern des Zentralbereichs

18 Die Suche Speziell: Die Suche nach dem Zerfall W± e± + νe

19 Die Suche Speziell: Die Suche nach dem Zerfall W± e± + νe Weitere Bedingungen an Ereignisse, die aufgrund des Elektrontriggers aufgezeichnet wurden ( Ereignisse): * Spur im Zentraldetektor muss zur Mitte des elektromagnetischen Schauers im Elektrokalorimeter zeigen * Im Zentraldetektor gemessener Transversalimpuls muss größer 7 GeV sein * Spur muss isoliert sein, d.h. Spuren, die in Richtung des selben Clusters des Elektrokalorimeters zeigen, dürfen höchstens 2.5 GeV Transversalimpuls haben * Signatur im Elektrokalorimeter muss typisch für ein Elektron sein => 346 Ereignisse erfüllen diese Bedingungen

20 Die Suche Speziell: Die Suche nach dem Zerfall W± e± + νe Wie findet man das Neutrino? Forderung: Auf der gegenüberliegenden Seite der Elektronenspur darf keine Energie (innerhalb eines Azimuthwinkels von 30 ) gemessen worden sein => 55 Ereignisse verbleiben Diese haben auffallend hohe fehlende Transversalenergie : Zusätzliche Forderung: * Missing ET > 15 GeV * Elektromagnetischer Schauer muss in der Mitte des Elektrokalorimeters liegen => 43 Ereignisse

21 Die Suche Speziell: Die Suche nach dem Zerfall W± e± + νe Mögliche Fehlerquellen: * Mißinterpretation eines geladenen Pions als Elektron: 0.3 Ereignisse * π0, η0, γ das in e+/e- zerfällt und von denen nur eine Spur nachgewiesen wurde: vernachlässigbar * Zerfall X e + ν + ν: Jacobisches Maximum: pte ½ MW sin θ dσ/dpt = dσ/d(cos θ) d(cos θ)/dpt dσ/dpt = dσ/d(cos θ) 2pt/MW ( (MW/2)² pt² )-1/2 => Maximum bei pt = MW/2

22 Die Suche Speziell: Die Suche nach dem Zerfall W± e± + νe Außerdem: Fehlende Transversalenergie ist der Elektronenspur entgegen gerichtet: => W± gefunden!!

23 Die Suche Weitere Ergebnisse UA1: UA2: W± μ± + νμ: 14 Ereignisse Z0 e+ + e-: 4 Ereignisse Z0 μ+ + μ-: 5 Ereignisse W± e± + νe: 33 Ereignisse Z0 e+ + e-: 5 Ereignisse => W± / Z0 eindeutig nachgewiesen! Daraus berechnete Massen: MW = 82.1 ± 1.7 GeV MZ = 93.0 ± 1.7 GeV (heutiger Wert: ± GeV) (heutiger Wert: ± GeV) => Nobelpreis 1984 für Carlo Rubbia und Simon van der Meer: