7.2.2000G. Dissertori1 Die Physik bei LEP Günther Dissertori CERN, EP-Division Lehrer Seminar Februar 2000

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


Warum wurde LEP gebaut?

27 km Umfang

Teil der grossenBeschleuniger-Infrastruktur


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,….


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


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


Kleiner Abstecher:

Was bedeutet

Vereinheitlichung von

Wechselwirkungen?

7.2.2000 8

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...

7.2.2000 9

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


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 )(


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

7.2.2000 12

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


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


Z Zerfallskanäle: Z -> e+e- (Bhabha-Streuung)

Z -> +-

Z -> +-

Z -> Anti-

Z -> Quark Anti-Quark


e+e- : Bhabha_Streuung


+- : Muon Produktion

Lebensdauer 2 sec --> zerfallen erst ausserhalb des Detektors!


+- : Tau Produktion

Lebensdauer 3 x 10-13 sec --> zerfallen nach 87 m in Elektronen oder Muonen oder Hadronen + Neutrinos

Muon

Pionen=Hadronen

Neutrinos ? “unsichtbar”


+- : 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-


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)


Quark-Paar Erzeugung

10-15 mErzeugte Quarks:

Up, Down, Strange, Charm, BeautyUp, Down, Strange, Charm, Beauty (nicht Top, weil zu “schwer”)

7.2.2000 21

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”?


Antwort:Durch sehr genaue Spur-

Rekonstruktion!!

Zoom 1 cm

IP=Haupt-Wechselwirkungspunkt


Damit kann z.B. mittlere Lebensdauer gemessen werden…..


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….


Was haben wir gelernt?

(ein paar Gusto-Stückerln) Anzahl der leichten Neutrinos

Präzisionsvermessungen der Z Resonanz

Vorhersage der Top-Masse

… und der Higgs-Masse


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


-> “einfaches” Zählexperiment…

•Zähle hadronische Ereignisse

•Zähle leptonische Ereignisse

0083.09835.2 ±=N

Wichtig fur Kosmologie!!


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


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

7.2.2000 30

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

7.2.2000 31

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


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

7.2.2000 33

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…?


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


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


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…

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