7.2.2000 G. Dissertori 1
Die Physik bei LEP
Günther DissertoriCERN , EP-Division
Lehrer SeminarFebruar 2000
G. Dissertori7.2.2000 2
Inhalt:
Warum wurde LEP gebaut? Vereinheitlichung von Wechselwirkungen Die Prozesse bei LEP Was haben wir gelernt?
Anzahl der Neutrinos Präzisionsmessungen Vorhersage der Top Quark Masse …
Studien bei LEP2
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Warum wurde LEP gebaut?
27 km Umfang
Teil der grossenBeschleuniger-Infrastruktur
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Geschichte... Anfang der 70iger Jahre:
Geburt der Elektro-Schwachen Theorie Vorhersage der Z und W- Bosonen
Anfang der 80iger Jahre: Entdeckung beim SPS
Nun ging es darum, die Theorie genau zu vermessen Und Suche nach neuen Teilchen: TOP,HIGGS,….
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Warum einen e+e- Collider?
e+e- Collider wesentlich besser geeignet zu Präzisionsmessungen, weil Schwerpunktsenergie genau einstellbar Uninteressante Untergrundprozesse selten Reaktionsraten leichter zu berechnen, da die kollidierenden
Teilchen “Punkt-Teilchen” sind grosse Reaktionsrate vorhergesagt für e+e- -> X bei 91 GeV
Im Unterschied zu Proton Collidern (z.B. SPS, LHC):
Proton 1 Proton 2
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Warum so gross? Abzudeckender
Energiebereich sollte sein: 90 GeV -----> 200 GeV
um Z und W Teilchen produzieren zu können, und Entdeckungspotential
gross zu halten
Synchrotronstrahlung muss reduziert werden, deshalb:
grosser Radius
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Kleiner Abstecher:
Was bedeutet
Vereinheitlichung von
Wechselwirkungen?
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Was charakterisiert eine Wechselwirkung?
Elektromagnetismus
Kopplung = elektr. Ladung = 1/137=0.0073
Reichweite = Potential 1/r
Schwache Wechselwirkung
Kopplung = Fermi-Konstante GF 10-5
Reichweite 0 !! (10-17 m) Potential = ?
Kopplungskonstante=Stärke Reichweite
50-60iger Jahre:
2 völlig verschiedene Phänomene…. doch...
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Betrachten nun WW zwischen e+ und e-
Zeit
e+
e- e-
e+
e-
e+
e-
e+
Annahme: Es können 2 Teilchen ausgetauscht werdenz.B. und Z
g
g
g g
g = Kopplungskonstante
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Austausch des ersten Teilchens mit Masse=0, Kopplung g1:
2
21
1CME
g P ∝ Fouriertrafo
r
grV
21
1 )( ∝
P = Prozesswahrscheinlichkeit V = Potential
Austausch des zweiten Teilchens mit Masse=Mz, Kopplung g2:
22
22
2ZCM ME
g P
−∝
Fouriertrafo
r
egrV
rM Z−
∝ 222 )(
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Vereinheitlichung: Es gibt “Verbindung”
zwischen den Kopplungen, und g1 g2
Fall : Mz sehr gross,
d.h. Mz >> ECM
Fall : ECM > Mz
2
21
122
22
2 1""CM
FZ E
gPPundG
M
gP =<<<<≡→ 12
22
2 PE
gP
CM
≈→
Bei niedrigen Energien erscheint WW 2 “punktförmig” und “schwach”,obwohl die Kopplungskonstanten ähnlich sind...
Man muss also nur zu genügend hohen Energien gehen, sodass beide Prozessegleich wahrscheinlich (=gleich “wichtig”) werden...
22221 sin,,
:
egggeg
TheorieSchwacheElektro
W ===
−
θ
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Deshalb z.B. : Radioaktiver Zerfall selten...
up-quark
down-quark
W+
e+
Neutrino
up up
down
Proton
up down
down
Neutron
+ e+
+
- Zerfall
)80()1(
1222
2
GeVMGeVME
weilGME
eP
Wproton
FW
<<≈
<<≈−
∝
Deshalb : Zur genauen Studie von Z,W in e+e-: ECM >= Mz oder ECM >= 2 x Mw
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Die Reaktion e+e- -> /Z -> X
Zu vermessen: Form der Resonanz Zerfallsraten für verschiedene
Endzustände
Was sind nun die möglichen Zerfallskanäle?
Z “Weglänge” 2 x 10-18 m
Z Austausch
Au
sta
usch
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Z Zerfallskanäle: Z -> e+e- (Bhabha-Streuung)
Z -> +-
Z -> +-
Z -> Anti-
Z -> Quark Anti-Quark
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e+e- : Bhabha_Streuung
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+- : Muon Produktion
Lebensdauer 2 sec --> zerfallen erst ausserhalb des Detektors!
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+- : Tau Produktion
Lebensdauer 3 x 10-13 sec --> zerfallen nach 87 m in Elektronen oder Muonen oder Hadronen + Neutrinos
Muon
Pionen=Hadronen
Neutrinos ? “unsichtbar”
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+- : Tau Produktion
Lebensdauer 3 x 10-13 sec --> zerfallen nach 87 m in Elektronen oder Muonen oder Hadronen + Neutrinos
Pions,Kaons
+
u
dW-
W+
-
+Z
e+
e-
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Quark-Paar Erzeugung
Wir beobachten abernicht Quarks, sondern
Photonen, Leptonen, Photonen, Leptonen, Hadronen (Pionen, Hadronen (Pionen, Protonen, Neutronen)Protonen, Neutronen)
(Leptonen und Photonenstammen aus Hadron-Zerfällen)
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Quark-Paar Erzeugung
10-15 mErzeugte Quarks:
Up, Down, Strange, Charm, BeautyUp, Down, Strange, Charm, Beauty (nicht Top, weil zu “schwer”)
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Eines der interessantesten
Quarks : b (Beauty/Bottom)
up up
down
Proton
up
down
Pion
Ersetze einesder d- Quarks durch ein b -Quark
up up
beauty
B - Baryon
up
beauty
B - Meson
Zerfallen schon nach 1.5 x 10-12 sec --> einige hundert m ! (Zerfallen in leichtere Hadronen + Leptonen + Neutrinos)
Wie kann man diese Zerfälle trotzdem “sehen”?
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Antwort:Durch sehr genaue Spur-
Rekonstruktion!!
Zoom 1 cm
IP=Haupt-Wechselwirkungspunkt
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Damit kann z.B. mittlere Lebensdauer gemessen werden…..
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Weitere Frage: Wie misst man
Wirkungsquerschnitte = Reaktionsraten?
εσ ••= LNEreignisse
Wirkungsquerschnitt
Luminosität = Beschleunigerparameter,gibt “Strahlintensität”, prop. zu Strom und
1/Strahlgrösse
Kalibrierung über Prozess, Kalibrierung über Prozess, wo wo σσ genau bekannt aus Theorie -> Bhabha genau bekannt aus Theorie -> Bhabha
Effizienz =
Anzahl der gemessenen Ereignisse
Anzahl der produzierten Ereignisse
aus Detektorsimulation….
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Was haben wir gelernt?
(ein paar Gusto-Stückerln) Anzahl der leichten Neutrinos
Präzisionsvermessungen der Z Resonanz
Vorhersage der Top-Masse
… und der Higgs-Masse
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Wie kann man Neutrinos messen, wenn sie “unsichtbar” sind?
Die Produktionswahrscheinlichkeit für Hadronen =
total
Hadronen
total
e
ZHadronen M Γ
Γ•
ΓΓ
= 2
12πσ
Z Produktion Z Zerfall
Γ = Resonanzbreite
Hadronen
lll
HadronenZ
ll
leptonhadtotal
RRM
RN
N
ΓΓ
=⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−−
ΓΓ
=
⇓
Γ+Γ+Γ=Γ
312
3
2 σπ
=2 (aus Theorie)
Relative Anzahl von leptonischen zu hadronischen Ereignissen
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-> “einfaches” Zählexperiment…
•Zähle hadronische Ereignisse
•Zähle leptonische Ereignisse
0083.09835.2 ±=N
Wichtig fur Kosmologie!!
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Präzisionsmessungen
00023.023192.0sin
037.0544.41
/0024.04944.2
/0021.01871.91
2
0
2
2
±=
±=
±=Γ
±=
W
had
Z
Z
nb
cGeV
cGeVM
θ
σ
= 2.3 x 10-5 !!
= 9.6 x 10-4 !!
= 8.9 x 10-4 !!
= 9.9 x 10-4 !!
+ eine Vielzahl von Observablen, deren Messungenalle in Übereinstimmung mit der Vorhersage des
Standardmodells sind!
Weinberg-WinkelWeinberg-Winkel
2
22
222
1sin
sin
Z
WW
W
M
M
eg
−=
=
θ
θ
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Wozu dienen solche
Präzisionsmessungen?
Beispiel : Vorhersage der Top
- MasseDazu betrachten wir wieder die Reaktion e+e- -> Hadronen...
e+
e-Quark
Z
Anti-Quark
Quanten - Prozess !!
Experimentell genau
vermessen…
Theorie berechnet
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Erinnern wir uns zurück an die
Quanten-Mechanik - Vorlesung…
Das Doppelspalt - Experiment
Photonen - oderElektronenquelle
A1
A2
Inte
rfere
nz-S
truktu
r inIn
ten
sitä
tsverte
il un
g
QM gibt Wahrscheinlichkeitsverteilung für Aufprallort :
P = | A1 + A2 |2 = |A1|2 + |A2|2 + 2ReA1*A2
Interferenz!!
Essenz : Berücksichtige alle möglichen Wege, |summiere deren Amplituden|2
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Deshalb auch...
e+
e-Quark
ZAnti-Quark e+
e-
Z
Quark
Anti-Quark
Top
Anti-top
Z+
A1 A2
e+
e-Quark
Z
Anti-Quark
Higgs
A3
+ + ...
E2 m2 + p2
Summiere alle möglichenWege, um zum selben Endzustand zu kommen
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Also...
( ) HiggsHiggstoptop
hadtot
mmfAmmfA
AAAAAA
AAAAA
AAAP
log)(
Re2...
...Re2
...
32
2
2*1
2
1
2
3
2
2
2
1
2*1
2
3
2
2
2
1
2
321
∝=∝=
>>>>>>>
++++=
=+++==σ
Falls Messgenauigkeit hoch -> sensitiv auf diese Terme -> sensitiv auf Top und sogar Higgs-Masse
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Ergebnis:
Mtop = 173.2 +/- 4.5 GeV/c2
Mhiggs = 77 +69 -39 GeV/c2
Direkte Entdeckung am Fermilab :
Mtop = 174.3 +/- 5.1 GeV/c2
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Studien bei LEP2: Ab November 95 wurde LEP Energie kontinuierlich
erhöht: 130 -> 136 -> 161 -> 172 -> 183 -> 189 -> 192 -> 196 -> 200 -> 202 -> 204 -> …. (max 206 ?) GeV
Interessant für : W Produktion (ab 161GeV) : W Masse,Wirkungsquerschnitt..
Suche nach Higgs Supersymmetrie Überraschungen…?
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W Produktion:W Teilchen können nur paarweise erzeugt werden,weil geladen …
-> deshalb mindestens 161 GeV benötigt!
e+
e-Quark Up
ZAnti-Quark Down
W+
W- e-
Anti-Neutrino
Wichtig zur Bestimmung weiterer Parameter des Standardmodells
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Warum sind Z,W so viel massiver als ?Woher kommen Teilchenmassen?
Erklärung : Weitere Ingredienz in Theorie des SM Higgs - Mechanismus --> Higgs-Teilchen
Schlagwort : spontane Symmetriebrechung….
Über Wechselwirkung mit dem Higgsfeld erhalten Teilchen Masse
Beispiel : Margareth ThatcherMargareth Thatcher
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Direkte Suche bisher: mH > 103 GeV/c2
Vorgangsweise: Zähle nach, ob es Überschuss vonsolchen Ereignissen gibt bzgl. der erwarteten Ereignisse(z.B. “normale” Produktion von 4 Quarks…)u
u
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Supersymmetrie: Erweiterung des Standardmodells: es gibt Symmetrie
BosonenBosonen FermionenFermionen Spin 0,1,2,.. Spin 1/2, 3/2, …
Jedes Teilchen hat supersymmetrischen Partner Elektron e Selektron e Photon Photino
Symmetrie muss gebrochen sein, weil supersymmetrische Partner noch nicht gefunden…
Massen > O(100 GeV) ???
7.2.2000
Zusammenfassung
Beinahe 1000 Publikationen1000 Publikationen der 4 LEP Experimente ALEPH, DELPHI, L3 und OPAL zeugen von der Reichhaltigkeit des Physikprogrammes bei LEP
Arbeiten noch nicht abgeschlossen
Hoffen noch auf die grosse Entdeckung…