Entdeckung der W/Z-Bosonen 20.01.2015 Kern- und Teilchenphysik Seminar

Entdeckung der W/Z-Bosonen20.01.2015

Kern- und TeilchenphysikSeminar

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Übersicht

MAGNETIC IMAGING INTERNATIONAL WORKSHOP | Bochum | 08. – 11. September 2009

1. Einführung Bosonen und schwache Wechselwirkung

2. Geschichtlicher Hintergrund

3. Theoretischer Hintergrund

4. Experimente zur Entdeckung von W/Z-Bosonen

5. Ausblick

Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-Bosonen

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1. Einführung Materie & Elementarteilchen

Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Geschichte I Theorie I Experiment

Atila Jojart

Quarks

Leptonen

Fermionen Bosonen

http://de.wikipedia.org/wiki/Elementarteilchen

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1. Einführung Schwache Wechselwirkung

W-Boson für geladene Ströme, Z-Boson für neutrale Ströme Es sind keine gebundenen Zustände bekannt die sich durch schwache WW bilden könnenist verantwortlich für Zerfälle oder Umwandlungen der beteiligten Teilchen

(Quarks und Leptonen)

Beispiel:

Atila Jojart


http://www.atlas.uni-wuppertal.de/oeffentlichkeit/WundZ-Teilchen.html

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1. Einführung Beispiel

Atila Jojart

Leptonische Prozesse: nur Leptonen sind beteiligt

http://de.wikipedia.org/wiki/Myon

Semileptonische Prozesse:Leptonen und Hadronensind beteiligt

http://www.dieter-heidorn.de/Physik/VS/StrukturMaterie

Nichtleptonische Prozesse:Nur Hadronen sind beteiligt

http://de.wikipedia.org/wiki/Schwache_Wechselwirkung


v

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2. Geschichte schwache WW und Beta-Zerfall

1930: Pauli postuliert das „Neutron“ beim Beta-Zerfall

1934: vollständige Beschreibung des Beta-Zerfalls durch Enrico Fermi

Beschreibung durch punktförmige WW von 4 Fermionen und Kopplungsstärke wird durch Fermi-Konstante beschrieben

Problem: nur für niedrige Energie

Atila Jojart


http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/phbl.19940501107/pdf

http://de.wikipedia.org/wiki/Betastrahlung

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2. Geschichte Bosonen

1960: Sheldon Lee Glashow Einführung von massiven Vektorbosonen postuliert 3 Austauschteilchen W+, W- und Z0

Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment

Atila Jojart

http://www.spektrum.de/lexika/images/physik/fff4386_w.jpg

RUB Vorleung: Kern-und Telilchenphysik WiSe 14/15, 04.11.2014

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2. Geschichte elektroschwache WW

1967: Vereinheitlichung der schwachen und elektromagnetischen Wechselwir- kung

1979: Nobelpreis:

„Für ihre Mitwirkung an der Theorie der Vereinigung schwacher und elektromagnetischer Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen, einschließlich u.a. die Voraussage von schwacher nuklearer Strömung“


Atila Jojart

http://www.physi.uni-heidelberg.de/~fschney/Seminar.SS10/Sch%C3%BCnke.pdf

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2. Geschichte Nachweis der Bosonen

1983: Entdeckung/Nachweis von W- / und Z-Bosnen am CERN unter der Leitung von Carlo Rubbia

1984: Nobelpreis für Carlo Rubbia und Simon van der Meer

„Für ihre entscheidenden Einsätze bei dem großenProjekt, das zur Entdeckung der Feldpartikel W und Z,Vermittler schwacher Wechselwirkung, geführt hat.“


Atila Jojart

http://www.nobelpreis.org/physik/rubbia.htm

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3. Theorie Vorhersage der Massen I

Elektroschwache Theorie zur Vorhersage der Massen

Wechselwirkung durch vier masselose Eichbosonen (B0, W1, W2 und W3)

Real vorkommende Austauschteilchen als Linearkombination der vier Eichbosonen


Atila Jojart

http://de.wikipedia.org/wiki/Elektroschwache_Wechselwirkung

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3. Theorie Vorhersage der Massen II

Weinbergwinkel: auch elektroschwacher Mischwinkel ist das Verhältnis der Masse des W- Bosons und des Z-Bosons und beschreibt denZusammenhang zwischen Kopplungsstärken der elektroschwachen WW

Voraussage:


Atila Jojart

𝑚𝑊2 =𝑟 4 𝜋𝛼

8𝑠𝑖𝑛2𝜃𝑊√2¿¿ 𝑚𝑍

2 =𝑚𝑊

2

𝑐𝑜𝑠2𝜃𝑊

𝒎𝑾 ≈𝟖𝟎𝑮𝒆𝑽 𝒎𝒁≈𝟗𝟎𝑮𝒆𝑽

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4. Experiment Erzeugung von Bosonen

Idee: Erzeugung von Bosonen durch e+e- -Annihilation

Notwendige Schwerpunktsenergie:

Anfang 1970 stehen keine geeigneten e+e- - Collider zur Verfügung

Indirekte Beobachtung in Blasenkammer GARGAMELLE im Jahre 1973


Atila Jojart

√ 𝑠=𝑀𝑊 ,𝑍𝑐2

E> 46 GeV E≈ 161 GeV

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4. Experiment Entdeckung neutraler Ströme

Entdeckung: neutrale Ströme zwischen Elektron und Neutrino, welche durch das Z-Boson vermittelt wurden Bestätigung durch Abwesenheit von Myonen


Atila Jojart

http://wwwzeuthen.desy.de/~husemann/teaching/2009_ss/exp_teilchenphysik/skript/skript_03.pdfhttp://web.physik.rwth-aachen.de/~hoepfner/Teaching/Seminar_SS04/Scharf_talk.pdf

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4. Experiment Erzeugung von Bosonen II

Idee: Erzeugung von Bosonen durch Kollision von Quarks

Umsetzung: Nutzung des SPS (Super Proton Synchroton) 2 gegenläufige Protonen kollidieren miteinander

Lösung?: Protonen werden auf beschleunigt E=2˙300 Gev = 600 GeVNein! In bewegten System tragen die Quarks nur einen Bruchteil des Protonenimpulses. Der Hauptteil wird von Gluonen getragen, der Rest teilt sich auf mehrere Quarks auf!


Atila Jojart

𝐸𝑃=300𝐺𝑒𝑉

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4. Experiment Proton-Antiproton-Collider

Neue Idee: Annihilation von Quark-Antiquark-Paaren

Umsetzung: Super Proton Antiproton Synchroton (SPS, in anderer Betriebsart)Vorteil: u/d-Quarks und Anti-u/d-Quarks besitzen gleiche Impulsverteilung nur ein Beschleunigungsring nötig, da entgegengesetzte Ladungen und frontale Kollision ergibt

Nachteil: es gibt keine natürlich vorkommenden Antiprotonen


Atila Jojart

√ 𝑠=500−700𝐺𝑒𝑉

http://www.nobelpreis.org/physik/meer.htm

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4. Experiment Antiprotonen

Erzeugung von Antiprotonen Beschuss von Protonen (mit 26 GeV) auf festes Cu-TargetProbleme: - ein Antiproton pro 1 Mio Protonen, daher müssen sie gesammelt und gespeichert werden (Speicherring) - Antiprotonen haben eine stark unterschiedliche Impulsverteilung („heiß“) Stochastische Kühlung Simon van der Meer Nobelpreis 1984


Atila Jojart

http://www.nobelpreis.org/physik/meer.htm

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4. Experiment Stochastische Kühlung I

Kühlung: Größe des Teilchenpakets im Phasenraum wird verkleinert (Kühlung, da die Bewegung der Teilchen relativ zueinander abnimmt)

Pick up: erster Sensor, der die Abweichung der Teilchen von der Idealbahn misst Kicker: anderer Ort am Speicherring, Korrektur der Teilchen auf Kreisbahn durch EM-Feld

Erzeugung von 1011 Antiprotonen pro Tag


Atila Jojart

http://www.physik.uni-freiburg.de/~kolja/wz-vortrag/wz-vortrag.pdf

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4. Experiment Stochastische Kühlung II

Kühlung:


Atila Jojart


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4. Experiment Detektoren UA1 und UA2

Beschleunigung auf 270 GeV

2 Bereiche: UA1-und UA2-Detektor

Kollision mit einer Schwerpunktsenergie von


Atila Jojart

√ 𝑠=540𝐺𝑒𝑉

http://web.physik.rwthaachen.de/~hoepfner/Teaching/Seminar_SS04/Scharf_talk.pdf

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4. Experiment Der Detektor UA1

2000 t schwer

Allzweck-Detektor mit konventionellem Aufbau (Spurdetektor, Kalorimeter, Myonen-Driftkammer)

Magnetisches Dipolfeld 0,7 T senkrecht zur Strahlachse

Untersuchung von Proton-Antiproton-Kollision möglich


Atila Jojart

http://www.physik.unifreiburg.de/~kolja/wz-vortrag/wz-vortrag.pdf

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4. Experiment Der Detektor UA2

Gewicht 200 t

Ohne B-Feld und ohne Myonenkammer

Einfacheres Desinge und optimiert für Detektion von e+e- - Nachweis

Schwerpunkt auf Kolorimetermessung und Untersuchungen genauer durchführbar als bei UA1


Atila Jojart

http://www.physik.unifreiburg.de/~kolja/wz-vortrag/wz-vortrag.pdf

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4. Experiment Suche nach dem W-Boson

Zur Erzeugung des W-Bosons müssenQuark und Antiquark miteinanderKollidieren. Das W-Boson zerfällt in einElektron/Positron und ein Neutrino.

Suche nach: a.) Elektron mit hohem Transversalimpuls b.) Neutrino mit „fehlendem“ hohen Transversalimpuls


Atila Jojart

http://wwwzeuthen.desy.de/~husemann/teaching/2009_ss/exp_teilchenphysik/skript/skript_04.pdf

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4. Experiment Entdeckung des W-Bosons

5 Elektron-Ereignisse, die Kriterien erfüllen

7 Neutriono-Ereignisse mit Kriteriumserfüllung (alle 5 Elektronen-Events mit dabei)

Im September 1983 43 Events

Masse W-Boson: 80,9±1,5 GeV


Atila Jojart


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4. Experiment Suche nach dem Z-Boson

Zur Erzeugung des W-Bosons müssenQuark und Antiquark miteinanderKollidieren. Das Z-Boson zerfällt in einLepton-Antilepton-Paar (e, µ)

Suche nach: zwei Spuren geladener Leptonen, mit hohem und gleich großen Transversalimpuls in entgegengesetzter Richtung


Atila Jojart


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4. Experiment Entdeckung des W-Bosons

Am Ende: 4 Events Elektron-Positron 1 Moynereignis

UA1: Veröffentlichung Juli 1983Masse Z-Boson: 95,2±2,5 GeV

UA2: Veröffentlichung September 1983 Masse Z-Boson: 91,9±1,3 GeV


Atila Jojart


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5. Ausblick

Genauere Massenbestimmung des W/Z-BosonsDurch weitere Messungen am LEP ist der heutige Stand der Massen mw: 80,425±0,038 GeV mz: 91,1876±0,0021 GeV

Suche nach dem Higgs-BosonNachweis am CERN im LHC im Juli 2012

GUT (Grand Unified Theory) Vereinheitlichung der elektromagnetischen / schwachen / starken WW


Atila Jojart

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Vielen Dank!


Atila Jojart

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