Analyse von ATLAS-Daten: Zerfälle des Z00-Bosons
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Analyse von ATLAS-Daten: Analyse von ATLAS-Daten: Zerfälle des ZZerfälle des Z00-Bosons-Bosons
Analyse von ATLAS-Daten: Analyse von ATLAS-Daten: Zerfälle des ZZerfälle des Z00-Bosons-Bosons
Dr. Sebastian SchätzelPhysikalisches InstitutRuprecht-Karls-Universität Heidelberg
15. März 2011
Dr. Sebastian SchätzelPhysikalisches InstitutRuprecht-Karls-Universität Heidelberg
15. März 2011
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VortragsübersichtVortragsübersicht
Ziele● an die Aufgabenstellung heranführen● Demonstration des Analyseprogramms
Inhalt● Der Teilchenzoo● Wechselwirkung von Teilchen mit Materie● Der ATLAS-Detektor● Das Z-Boson und die Masterclass-Aufgabe● Zufall und statistische Genauigkeit
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Der Teilchenzoo
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Das Periodensystem der TeilchenphysikDas Periodensystem der Teilchenphysik
λεπτος (leptos): leicht, feinλεπτος (leptos): leicht, fein
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Masseneinheit Elektronvolt (eV)Masseneinheit Elektronvolt (eV)
● die Energie, die ein Elektron beim Durchfliegen einer Potential-differenz von 1 Volt erhält
● Masse ist äquivalent zu Energie Energie = Masse · Lichtgeschwindigkeit 2
MasseMasse
91,2 GeV Z-Boson91,2 GeV Z-Boson
0,93 GeV Proton0,93 GeV Proton
0,105 GeV Myon0,105 GeV Myon
0,000511 GeV Elektron0,000511 GeV Elektron
Vorsilbe: „G“ = Giga = 109
„M“ = Mega = 106
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Quarks formen HadronenQuarks formen Hadronen
● Atom● Kern (Protonen und Neutronen)
● Elektronen
● durch Photonen zusammengehalten
● Hadron● 2 oder 3 Quarks (z.B. Proton, Neutron)
● durch Gluonen zusammengehalten
ἁδρός (hadros): voll, dicht, dicknimmt an Starker Wechselwirkung teilἁδρός (hadros): voll, dicht, dicknimmt an Starker Wechselwirkung teil
Photon überträgt elektromagnetische Wechselwirkung Photon überträgt elektromagnetische Wechselwirkung
Gluon überträgt Starke WechselwirkungGluon überträgt Starke Wechselwirkung
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Quarks erzeugen JetsQuarks erzeugen Jets
● Ein Quark erzeugt einen ganzen Schauer von Hadronen (genannt „Jet“), die in dieselbe Richtung wie das Quark fliegen.
● Man sieht kein einzelnes Quark, sondern den Hadron-Jet.
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Wechselwirkung vonTeilchen mit Materie
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WechselwirkungsartenWechselwirkungsarten
● Geladene Teilchen● Ionisation
● Anregung
● Übergangsstrahlung
● Cherenkov-Strahlung
● Photonabstrahlung und Elektronpaarbildung (elektromagnetischer Schauer)
● Hadronische Schauer
● Neutrale Teilchen● Photon: Elektronpaarbildung, Comptoneffekt
● Hadronen: inelastische Stöße mit Kernen, hadronische Schauer
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IonisationIonisation
Gasatom
Ion
freies Elektron
geladene Teilchen ionisieren Gas(schlagen Elektronen aus der Atomhülle)
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U0
Signal
ionisierendes Teilchen
Füllgas
Außenelektrode
Innenelektrode
Geiger-Müller-ZählrohrGeiger-Müller-Zählrohr
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ionisierendes Teilchen
Kathoden-drähte
Anodendrähte
SpurdetektorSpurdetektor
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Impuls aus SpurkrümmungImpuls aus Spurkrümmung
● Spurdetektor befindet sich in einem Magnetfeld● auf geladene Teilchen wirkt die Lorentzkraft:
● diese lenkt die Teilchen kreisförmig ab● Lorentzkraft = Zentripetalkraft
● q: ist entweder +e oder -e, Vorzeichen aus Richtung der Krümmung● B: von außen vorgegeben, r = Krümmungsradius
⇒ kann Impuls p ausrechnen● hohe Impulse nur ungenau messbar (Krümmung schlecht messbar)
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KalorimeterKalorimeter
● lat. calor = Wärme, hier: Messung der (kinetischen) Energie● für hohe Teilchenenergien genauere Energiemessung als
Spurdetektor (für E≫m: E ≈ p)● Nachweis auch neutraler Teilchen● Teilchen werden im Material gestoppt
● kinetische Energie überträgt sich in Detektorsignal
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TeilchenschauerTeilchenschauer
● einfallendes Primärteilchen erzeugt mehrere Sekundärteilchen● Energie des Primärteilchens teilt sich auf Sekundärteilchen auf● Sekundärteilchen können auch wieder Teilchen erzeugen
hochenergetischesPrimärteilchenhochenergetischesPrimärteilchen
Endprodukt: viele Teilchen mit geringer Energie⇒ ihre Energie wird durch Ionisation gemessen
Endprodukt: viele Teilchen mit geringer Energie⇒ ihre Energie wird durch Ionisation gemessen
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Elektromagnetische SchauerElektromagnetische Schauer
● Elektron strahlt Photon ab● Photon konvertiert in ein Elektron und ein Positron
(Teilchen können aus Energie erzeugt werden: E=mc2)
● Myonen strahlen selten Photonen ab● machen selten einen EM Schauer
● werden im Kalorimeter nicht gestoppt
● Grund: beschleunigte Ladungen strahlen
– Beschleunigung (oder Abbremsung) durch EM Feld des Materials (Kerne und Hüllenelektronen)
– Myon 200mal so schwer wie Elektron ⇒ weniger stark beschleunigt (F=ma)
ElektronElektron ElektronElektron
PhotonPhotonElektronElektron
PositronPositron
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Hadronischer TeilchenschauerHadronischer Teilchenschauer
● Hadron trifft auf Kern● durch Umkonfiguration der Quarks
entstehen andere Hadronen
● diese fliegen weiter und treffen selbstauf Kerne Kaskade
● geladene Hadronen regen auch dieHüllenelektronen an (bis hin zu Ionisation)
Endprodukt: niederenergetische geladene Teilchen, Energie wird durch Ionisation vermessen
Endprodukt: niederenergetische geladene Teilchen, Energie wird durch Ionisation vermessen
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Der ATLAS-Detektor
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CERN bei GenfCERN bei Genf
LHC27 km UmfangLHC27 km Umfang
CERNCERN
Europäisches KernforschungszentrumEuropäisches Kernforschungszentrum
Protongeschwindigkeit = 0.999999959·cProtongeschwindigkeit = 0.999999959·c
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Animation 1Animation 1Animation 2Animation 2FilmFilm
AlpenAlpenJuraJura
(L3)(L3)
(Delphi)(Delphi)
LHC mit ExperimentenLHC mit Experimenten
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Der ATLAS-DetektorDer ATLAS-Detektor
25 m25 m
44 m44 m
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Teilchenidentifikation mit ATLASTeilchenidentifikation mit ATLAS
● kann Teilchensorten mit Detektor unterscheiden● sie erzeugen charakteristische Muster von Detektorsignalen
● Analyse = Mustererkennung
Abkürzend gilt im folgenden:
„Elektron“ bezeichnet sowohl das Elektron als auch das Positron,„Myon“ bezeichnet Myon und Antimyon.
Abkürzend gilt im folgenden:
„Elektron“ bezeichnet sowohl das Elektron als auch das Positron,„Myon“ bezeichnet Myon und Antimyon.
„positiv geladenes Elektron“ = Positron„positiv geladenes Elektron“ = Positron
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Teilchen im DetektorTeilchen im Detektor
Elektronleicht aufzuhalten
Myonschwer aufzuhalten
interaktive Animationinteraktive Animation
„was bis nach außen durchkommt, ist ein Myon“„was bis nach außen durchkommt, ist ein Myon“
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Lorentzkraft: geladene Teilchen auf Helixbahn abgelenktLorentzkraft: geladene Teilchen auf Helixbahn abgelenkt
SpurdetektorSpurdetektor
Magnetfeld 2 TMagnetfeld 2 T
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KalorimeterKalorimeter
Kinetische Energie der Teilchen wird in Detektorsignale umgewandeltKinetische Energie der Teilchen wird in Detektorsignale umgewandelt
Elektronenwerden hiergestoppt
Elektronenwerden hiergestoppt
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MyondetektorMyondetektor
Signale in Detektoren außerhalb derKalorimeter rühren von Myonen her.
Nur Myonen durchdringen die Kalorimeter.
Signale in Detektoren außerhalb derKalorimeter rühren von Myonen her.
Nur Myonen durchdringen die Kalorimeter.
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Teilchenidentifikation mit ATLASTeilchenidentifikation mit ATLAS
Particle ID with ATLAS.swfParticle ID with ATLAS.swf
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Das Z-Boson und dieMasterclass-Aufgabe
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Das ZDas Z00-Teilchen-Teilchen
● Elektron + Positron ⇒ Teilchen, z.B. Myon + Antimyon● In der Sprache der Quantenelektrodynamik
(QED):
● Um die Messung zu beschreiben, muss ein weiteres Teilchen auftreten,das Z0:
QEDQEDmit Z0mit Z0
E = 34 GeVE = 34 GeV
Figur aus Mandl/Shaw„Quantenfeldtheorie“Figur aus Mandl/Shaw„Quantenfeldtheorie“
Z vermittelt EM und schwache WechselwirkungZ vermittelt EM und schwache Wechselwirkung
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Das ZDas Z00-Teilchen-Teilchen
● elektrisch neutral● sehr schwer: mZ0 = 91,2 GeV = 1,62 · 10-25 kg
● sehr kurze Lebensdauer: 2,6 · 10-25 s● Reichweite (Flugstrecke): <7,8 · 10-17 m
Zerfälle
100mal so schwerwie ein Proton!
100mal so schwerwie ein Proton!
QuarksQuarks
NeutrinosNeutrinos
fliegt weniger weit als ein Zehntel des Protonradius!fliegt weniger weit als ein Zehntel des Protonradius!
Ein Teilchen kann nur in Teilchen zerfallen, die leichter sind.⇒ daher kein Zerfall in ein Top-Antitop-Paar
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Energie, Impuls und MasseEnergie, Impuls und Masse
relativistischer Zusammenhang (Lichtgeschwindigkeit weggelassen)für jedes Teilchenrelativistischer Zusammenhang (Lichtgeschwindigkeit weggelassen)für jedes Teilchen
betrachte Zerfälle Z→e+e-, Z→μ+μ-betrachte Zerfälle Z→e+e-, Z→μ+μ-
Energieerhaltung:Energieerhaltung: Impulserhaltung:Impulserhaltung:
kann mZ aus Energien und Impulsen der Zerfallsteilchen ausrechnenkann mZ aus Energien und Impulsen der Zerfallsteilchen ausrechnen
Das macht für uns der Computer...Das macht für uns der Computer...
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Histogramm der MasseHistogramm der Masse
m (GeV)m (GeV)
Häu
figk e
itH
äufig
k eit● gegeben: 10000 Zerfälle Z→e+e-, Z→μ+μ-● gegeben: 10000 Zerfälle Z→e+e-, Z→μ+μ-
● rechne für jeden Zerfall die Masse m aus
● zähle wie häufig bestimmte Massenwerte auftreten
● rechne für jeden Zerfall die Masse m aus
● zähle wie häufig bestimmte Massenwerte auftreten
● Position des „Peaks“ = tatsächlicher Wert der Masse● „Breite“ der Verteilung („RMS“) verursacht durch
● endliche Lebensdauer des Teilchens● Auflösungseffekte: Energie und Impuls können nicht exakt
gemessen werden
● Position des „Peaks“ = tatsächlicher Wert der Masse● „Breite“ der Verteilung („RMS“) verursacht durch
● endliche Lebensdauer des Teilchens● Auflösungseffekte: Energie und Impuls können nicht exakt
gemessen werden
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MassenpeakMassenpeak
ZerfallZerfall ErzeugungErzeugung
Z→e+e- e+e-→ZZeitumkehrZeitumkehr
m12 (GeV)m12 (GeV)
Häu
figk e
itH
äufig
k eit
Resonante Erzeugung, wenn die Energien und Impulse von e+e- zur Masse des Z-Teilchens passen.Resonante Erzeugung, wenn die Energien und Impulse von e+e- zur Masse des Z-Teilchens passen.
Vgl. Schwingkreis, ResonanzfrequenzVgl. Schwingkreis, Resonanzfrequenz
Ein Peak ist ein Hinweis,dass es ein Teilchenmit dieser Masse gibt
Ein Peak ist ein Hinweis,dass es ein Teilchenmit dieser Masse gibt
Je breiter der Peak, destogeringer die Lebensdauerdes Teilchens.
Je breiter der Peak, destogeringer die Lebensdauerdes Teilchens.
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Die Masterclass-AufgabeDie Masterclass-Aufgabe
EreignisbilderEreignisbilder
Z-ZerfallZ-ZerfallUntergrundUntergrund
Masse des Z-Bosons bestimmenMasse des Z-Bosons bestimmen
aussortierenaussortieren
inspiziereninspizieren
e oder μ?e oder μ?
aus Energien und Impulsen der Elektronen bzw. Myonenaus Energien und Impulsen der Elektronen bzw. Myonen
Suche in 1000 LHC-Ereignissen nach Zerfällen Z→e+e-, Z→μ+μ- und bestimme mit ihnen die Masse des Z-Bosons.
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35
Eventdisplay-Programm HYPATIAEventdisplay-Programm HYPATIA
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36
Elektron-Spur auswählenElektron-Spur auswählen
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37
Elektron-Spur ausgewähltElektron-Spur ausgewählt
zweite Spur genauso auswählenzweite Spur genauso auswählen
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Masse berechnetMasse berechnet
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AufschreibenAufschreiben
11 II
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40
AuswertungAuswertung
Histogramm doppelklicken, wennes nicht aktualisiert wirdHistogramm doppelklicken, wennes nicht aktualisiert wird
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Myon-EreignisMyon-Ereignis
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42
AufschreibenAufschreiben
11 II
22 II
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AuswertungAuswertung
Aufgabe: Histogramm mit fast 50 EinträgenAufgabe: Histogramm mit fast 50 Einträgen
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Untergrund: Nur eine Elektron-SpurUntergrund: Nur eine Elektron-Spur
gestrichelte Linie zeigt an, wo ein Teilchen (Neutrino) entlanggelaufen sein muss, damit der Impuls erhalten istgestrichelte Linie zeigt an, wo ein Teilchen (Neutrino) entlanggelaufen sein muss, damit der Impuls erhalten ist
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AufschreibenAufschreiben
11 II
22 II
33 II
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Jet-UntergrundJet-Untergrund
viele Spuren, keine zwei isolierten Elektronen oder Myonenviele Spuren, keine zwei isolierten Elektronen oder Myonen
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Signal und UntergrundSignal und Untergrund
e+e- e+e-
UntergrundUntergrund
Ereignis als Elektron-Ereignis klassifizieren (nicht als Untergrund)Ereignis als Elektron-Ereignis klassifizieren (nicht als Untergrund)
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Zufall und Statistische Genauigkeit
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Zufall in der TeilchenphysikZufall in der Teilchenphysik
● Teilchenphysik: kleine Abstände, Abläufe können nicht genau vorhergesagt werden● Quantenmechanik
● „Gott würfelt“
● Zerfallsart eines einzelnen Z-Bosons nicht vorhersagbar
Z-Boson
Z-Boson
Hmm, soll ich in Myonenoder Elektronen zerfallen? Hmm, soll ich in Myonenoder Elektronen zerfallen?
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50
WahrscheinlichkeitenWahrscheinlichkeiten
● Wir schauen uns 1000 Z-Boson-Zerfälle an
⇒ wie häufig zerfallen sie im Mittel in Quarks, Elektronen, ...● Das gibt uns Wahrscheinlichkeiten für die Zerfallsarten
● Beispiel: ● finde 870mal Zerfall in Quarks
⇒ Wahrscheinlichkeit = 870/1000 = 87%
● Aber: Wenn wir nochmal mit 1000 anderen Z-Bosonen zählen,erhalten wir vielleicht 860. Welche Zahl stimmt dann?
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51
Statistische UnsicherheitStatistische Unsicherheit
Carl Friedrich Gauß1840
Carl Friedrich Gauß1840
Je mehr Arbeit man sich macht, desto aussagekräftiger wird das Ergebnis:Je mehr Arbeit man sich macht, desto aussagekräftiger wird das Ergebnis:
Analyse von 1000 Zerfälle ergibtAnalyse von 1000 Zerfälle ergibt
zum Glück gibt es die Gaußsche Fehlerrechnung
87% der Zerfälle gehen in Quarks
Vorhersage (Gauß):
Beispiel:
mit 1000 anderen Z-Bosonen wird sich einWert wird im Bereich 86% bis 88% ergeben(mit 95% Wahrscheinlichkeit)
mit 1000 anderen Z-Bosonen wird sich einWert wird im Bereich 86% bis 88% ergeben(mit 95% Wahrscheinlichkeit)
Unsicherheit = 1 Prozentpunkt
bei 8700 aus 10000 Z-Zerfällen (immernoch 87%)wäre die Vorhersage 8700 ± 40 Zerfälle⇒ Unsicherheit: 40/10000 = 0.4 Prozentpunkte
bei 8700 aus 10000 Z-Zerfällen (immernoch 87%)wäre die Vorhersage 8700 ± 40 Zerfälle⇒ Unsicherheit: 40/10000 = 0.4 Prozentpunkte
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ArbeitsteilungArbeitsteilung
Wir teilen die „Last“ auf:
● Jeweils 2 Personen bilden eine Gruppe und arbeiten zusammen an einem Computer.
● Jede Gruppe bearbeitet andere Ereignisse.
Am Ende kombinieren wir die Ergebnisse.
Wir teilen die „Last“ auf:
● Jeweils 2 Personen bilden eine Gruppe und arbeiten zusammen an einem Computer.
● Jede Gruppe bearbeitet andere Ereignisse.
Am Ende kombinieren wir die Ergebnisse.
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53
Hochladen der ErgebnisseHochladen der Ergebnisse
● Tabellenkalkulationsdokument abspeichern● Webbrowser starten
https://docs.google.com/?pli=1&authuser=0#home● username: masterclasses2011● Passwort: masterclass
● Auf „Upload“ klicken
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● Auf „Upload“ klicken
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Hochladen der ErgebnisseHochladen der Ergebnisse
● klicke „Select files to upload“● zu Desktop navigieren● groupA.ods auswählen (entsprechend
der Gruppe)● Häkchen enfernen● Destination collection:
My Collections/Z-Path/Institute Results/15 March/Heidelberg
● „Start upload“ klicken
● klicke „Select files to upload“● zu Desktop navigieren● groupA.ods auswählen (entsprechend
der Gruppe)● Häkchen enfernen● Destination collection:
My Collections/Z-Path/Institute Results/15 March/Heidelberg
● „Start upload“ klicken
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ANHANG
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Berechnung der statistischen Ungenauigkeit
Berechnung der Zerfallsbreiten
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Statistische UngenauigkeitStatistische Ungenauigkeit
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genauso μ,τgenauso μ,τ
daher Zerfalls-breite gleichfür e,μ,τ
daher Zerfalls-breite gleichfür e,μ,τ
Berechnung der ZerfallsbreitenBerechnung der Zerfallsbreiten
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Berechnung der ZerfallsbreitenBerechnung der Zerfallsbreiten
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Berechnung der ZerfallsbreitenBerechnung der Zerfallsbreiten