Entdeckung der W/Z-Bosonen 20.01.2015 Kern- und Teilchenphysik Seminar.
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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
4
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Geschichte I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Geschichte I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-Bosonen Einführung I Geschichte I Theorie I Experiment
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
8
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“
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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.“
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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:
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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!
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
Atila Jojart
http://www.physik.uni-freiburg.de/~kolja/wz-vortrag/wz-vortrag.pdf
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4. Experiment Stochastische Kühlung II
Kühlung:
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
Atila Jojart
http://www.physik.uni-freiburg.de/~kolja/wz-vortrag/wz-vortrag.pdf
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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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
Atila Jojart
http://www.physik.uni-freiburg.de/~kolja/wz-vortrag/wz-vortrag.pdf
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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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
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
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
Seminar: Kern- und TeilchenphysikDie Entdeckung der W- und Z-BosonenEinführung I Theorie I Experiment
Atila Jojart
http://wwwzeuthen.desy.de/~husemann/teaching/2009_ss/exp_teilchenphysik/skript/skript_03.pdf
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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
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Vielen Dank!
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Atila Jojart