Standardmodell V. Experimenteller Teil 1 - TU Dresden · 2009. 5. 25. · Vorlesungsprogramm Standardmodell - SS 2009 3 •Theorie (VL 8-10): •Massive Eichbosonen, ρ-Parameter,

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Standardmodell V.

Experimenteller Teil 1

Sommersemester 2009

Vorlesung SE2/103 Mo 4. DS = 13.00 - 14.30Übung SE2/102 Mo 5. DS = 14.50 - 16.20 (ungerade Wochen)

http://iktp.tu-dresden.de/Lehre/SS2009/SM

Prof. D. Stöckinger ASB E21 Tel. 463 42248 Jun. Prof. A. Straessner ASB 426/428 Tel. 463 34089

Standardmodell - SS 2009

Vorlesungsprogramm

2Standardmodell - SS 2009

• Stand nach Theorie (VL 1-3): • Eichkopplungen, Ww. von Eichbosonen, Ww. von linkshändigen Fermionen mit

Eichbosonen

• VL4: Schwache Zerfälle bei niedrigen Energien• Myon-Zerfall , GF bei FAST, Michel-Parameter von Myon und Tau (V-A),

Neutrinohelizität, Pion-Zerfall, Cabibbo-Winkel, Pion-Zerfallskonstante, Paritätsverletzung, beta-Zerfall, Mainz-Experiment, e-Neutrinomasse

• VL5: Neutraler Strom und Neutrino-Nukleonstreuung• vN-Streuung, Entdeckung der NC, anti-vN-Streuung, NC/CC, Paschos-Wolfenstein-

Relation, ρ-Parameter, sinθw bei NuTeV

• VL6: Physik der W- und Z- Bosonen• ep bei Hera, Vereinheitlichung der schwachen Ww. bei hohen Energien, Entdeckung

von W/Z in pp-Kollisionen, BR(W), Z bei LEP Teil 1: Wq, BR, Zahl Neutrinos

• VL7: Messung der Fermion- und Eichbosonkopplungen• Asymmetrie der Z-Zerfälle, sinθw-Messungen, TGCs/QGCs bei LEP2/Tevatron

Vorlesungsprogramm


• Theorie (VL 8-10): • Massive Eichbosonen, ρ-Parameter, Higgsmechanismus, massive Fermionen

• VL11: Analyse des Standardmodells und Higgs-Physik• Präzisionsmessungen von Standardmodellparametern, W-Masse, top-Zerfall, top-

Masse, Relationen der Parameter des Standardmodells, Strahlungskorrekturen, EW-Fit, Higgs-Suche

• VL12: Symmetrien und C/P/CP-Verletzung• schw. WW. von Quarks: CKM-Matrix, C/P/CP-Verletzung

• VL13: Neutrino-Physik oder Standardmodell-Physik am LHC• Neutrino-Massen, -Oszillationen, -Mischung -> Ausblick: BSM• Oder: Elektroschwache-Physik am LHC -> Ausblick: BSM

Wiederholung


• Schwache Wechselwirkung:• Austausch eines virtuellen W-Bosons mit Kopplung an

linkshändige Fermionen:

• W-Propagator in der Näherung niedriger Energien → Fermi-Konstante

• Myon-Lebensdauer → FAST-Experiment

• Elektron-Energiespektrum im Myonzerfall:

• Michel-Parameter: V-A-Kopplung der schw. Ww.• Elektron-Energiespektrum im Beta-Zerfall:

Der schwache Zerfall geladener Pionen


• Pionen sind Spin-0 Teilchen: π+, π0, π-

• Massen: mπ± = 139.57018(35) MeV/c2

mπ0 = 134.9766(6) MeV/c2

• Pionen sind die leichtesten Hadronen → Zerfall nur über schwache oder e.m. Ww.

• Quark-Inhalt:

• Schwacher Zerfall: π± →e± νπ± →μ± ν

• Eigenzustände der schwachen Ww. dL’, sL’ , bL’ ≠ Masseneigenzustände dL, sL, bL

• Cabibbo 1963: Mischung von d- und s-Quarks: 2x2 Rotations-Matrix mit Cabibbo-Winkel θC

π +

u

d'

μ

ν

W

Die CKM Quark-Mischungsmatrix


• Kobayashi und Maskawa 1973: • Unitäre 3x3 Mischungsmatrix für 3 Quarkfamilien → Erklärung der CP-Verletzung• Nobelpreis 2008

• Beim Pion-Zerfall treten nur u- und d-Quarks auf, also genügt: d’=Vud d

Der Zerfall geladener Pionen


π +

u

d'

μ

ν

W

• Problem: Quarks im Pion sind nicht frei sondern durch hadronische Ww. gebunden• Ansatz:

u

d'

μ

ν

W

k

p p’

k’

• Erwartung: Zerfall in eνe bevorzugt gegenüber μνμ , da me<<mμ , aber

• Pionen sind Spin-0 Teilchen: π+→ ℓ+ ν Zerfall ist helizitätsunterdrückt

• Vergleich mit Kaon-Zerfall: K+→ ℓ+ ν• Kaon ist ein Spin-0 Meson mit s-Quarkinhalt:

• Experiment und Theorie:

liefert |Vus| = 0.225 (Hausaufgabe)• Hadronische Korrekturen für Pion und Kaon sind nicht sehr unterschiedlich• Die schwache Ww. ist also universell (Kopplungskonstante gw), wenn im Quarksektor die CKM-

Matrix berücksichtigt wird

Vergleich mit experimentellen Daten


π+ ℓ+ν

K +

u

s'

μ

ν

W

Vus

Links- und rechts-chirale Kopplungen


• Fermion-Eichboson-Wechselwirkungen sind gegeben durch Kopplungen und Ladungen

f

f

Z

f

f

γ

f

f'

W

links+rechtshändig gleich

nur linkshändig

links+rechtshändig verschieden (T3!)

Schwacher Isospin, schwache Hyperladung und e.m. Ladung


Chirale Kopplungen → Vektor- und Axialvektor-Kopplungen


• Chirale Kopplungen:

• Vektor- und Axialvektor-Kopplungen:

• Definiere:

Neutrino-Nukleon-Streuung


• Entdeckung der neutralen Ströme → Gargamelle Blasenkammer 1973 (CERN)

• Zum Vergleich: erwartete Reaktion des geladenen Stroms

• Vorhergesagt von Glashow (1961), Salam (1967), Weinberg (1968)

• Renormierbarkeit gezeigt von Veltman/t’Hooft (1971/72)

• Hadronen und Neutrino imEndzustand

• Bekannte schwache Wechselwirkung

• Hadronen und Myon im Endzustand

_

u,d

Z

u,d

νμ νμ

u,d

Z

u,d

_ _ __

νμ νμ

d'

W-

u

μ-νμ

u

W-

d'

μ-

_

νμ

Anti-Neutrino-Nukleon-Streuung


• Neutraler Strom:

• Geladenen Strom:

u,d

Z

u,d

u

W+

d'

μ+

• Hadronen und Anti-Neutrino imEndzustand

• Hadronen und Myon im Endzustand

d'

W+

u

μ+

__

u,d

Z

u,d

_ _ __

Erzeugung eines Neutrinostrahls


• Beispiel: moderner Aufbau des CNGS-Neutrino-Strahls am CERN

• Kohlenstoff-Target• Magnetische Hörner (2-3) zum Fokussieren und Ladungsauswahl der Pionen/Kaonen• Andere Experimente nutzen:

• Dipolfeld zur Selektion der Ladung von Pionen und Kaonen• andere Targets z.B. aus Be oder flüssigen Metallen

• Myon-Spektrometer zur Bestimmung der Zerfallskinematik

• Neutrino-Energiespektrum entsprechend 2-Körperzerfall:

p + C (interactions) p+, K+ (decay in flight) + +

vacuum

700 m 100 m 1000m 67 m

Erzeugung eines Neutrinostrahls


• Text

Target-”Revolver”

Magnet-Horn


• Entwickelt am CERN von S. van der Meer (1961)

Funktionsweise des Magnet-Horns


• Starkes Toroid-Magnetfeld B~1/r

• Teilchen mit grösserem Emissionswinkel werden stärker abgelenkt(B~1/r, zusätzliche Weglänge Δl ~ r2)

• kein Feld ausserhalb des Horns• Innerer Leiter so dünn wie möglich um Absorption klein zu halten, aber noch mechanisch stabil

0.35 m

35 GeV positively charged particles leaving the target

inner conductor

Wirkung von Horn und Reflektor


• Simulation der Teilchenbahnen → Ladungs-Auswahl der Strahlteilchen

CNGS Magnet-Horn


Gargamelle 1973


• Blasenkammer gefüllt mit CF3Br (Freon) • Länge 4.8m, Durchmesser 1.9 m

• Messungen mit νμ- und Anti-νμ -Strahl• Freon: relativ dichtes Material → Hadronen werden in der Kammer gestoppt, Myonen nicht• Untergrund: Neutrino-Reaktionen in der Abschirmung vor der Kammer → Neutronen• Aber: Neutron-Wechselwirkung nahe am Eintritt des Neutrinostrahls• Signal: Wechselwirkung ohne nachgewiesene Myonen im gesamten Detektorvolumen

Neutron-Untergrund


“Neutron-Stars”

Ereignisse mit geladenem und neutralem Strom


CC NC

μ

Neutraler Strom mit Elektronen


e-

Z

e-

Gargamelle-Publikation 1973


• Text

Beispiele: vN mit neutralem Strom


u,d

Z

u,d

νμ νμ

p p'

k k'

MN=Nukleonmasseq(x)=Parton-Dichteverteilung

im Nukleon N

Beispiele: vN mit geladenem Strom


d'

W-

u

μ-νμ

u

W+

d'

μ+

J=0

J=1, Jz=±1

Verhälnis NC/CC und ρ-Parameter


• Isoskalares Target: q(x) = u(x) + d(x) = 2 u(x) = 2 d(x) → Alle Integrale ∫dx xq(x) sind gleich und fallen bei Quotientenbildung weg

• Target-Beispiele: Freon, Deuterium 2H, Eisen (4% Abweichung)

• Mit den berechneten Wirkungsquerschnitten folgt:

• Der Vorfaktor beschreibt Verhältnis von W/Z-Kopplungskonstante und -Propagator:

• Das “GF” der Z-Wechselwirkung ist also:

• Die Theorie von Glashow/Salam/Weinberg sagt voraus (in erster Ordnung):

• Das ist auch experimentell bestätigt (siehe gleich).

Verhälnis NC/CC und ρ-Parameter


• Auswertung für ein isoskalares Target (gleiche Zahl u- und d-Quarks):

• Für korrekte Analyse muss man auch die See-Quarks einbeziehen!• Die Paschos-Wolfenstein-Relation reduziert die Sensitivität auf solche Korrekturen:

• Oder nach Llewellyn Smith (1983):

Vergleich der Messung mit Vorhersage


1973 Gargamelle misst:

NuTeV Experiment


SSQT=Sign Selected Quadrupole Train

BeO Target

μ-

800 GeV Protonen

NuTeV Experiment


NuTeV Experiment


NuTeV Experiment


Auswertung der Daten liefert:

Demnach ist ρ im Rahmen derMessgenauigkeit gleich 1.

Analyse nur mit sin2θw als Parameter:

weicht von der SM-Vorhersage ab(etwa 3 ς)→ See-Quarks (hauptsächlich c), Strahlungskorrekturen der QCD, QED müssen eingerechnet werden→ danach nur noch 1.9 ς

Zusammenfassung


• Schwache Wechselwirkung von Quarks benötigt die CKM-Matrix• Beispiele: Pion- und Kaon-Zerfall

• Kopplungs-Strukturen von Photon, W, und Z: “V”, “V-A”, “cV V – cA A”

• Experimente mit Neutrino/Anti-Neutrino-Strahlen• Entdeckung der neutralen Ströme mit Gargamelle

• Neutrino-Nukleon-Streuung mit geladenen und neutralen Strömen

• Messung des ρ-Parameters und des schwachen Mischungswinkelsbei Gargamelle und NuTeV

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