Transcript W and Z Bosons and the 3 Neutrino Families

W and Z Bosons and the 3
Neutrino Families
Sedat Altinpinar
Theorie/Prediction of Neutrinos
-Prediction of “a“ Neutrino Pauli, ß-decay

n   p  e 

e
Experimental Discovery of the
Neutrinos
Cross Section for Neutrino reactions
  1043 cm2
• Cowan and Reines 1959
Discovery of the µ Neutrino
• Until the end of the '50s : Only one Generation of
Neutrinos

   e  
• Bruno Pontecorvo (1913-1993): Why doesn't
annihilate the Neutrino and Antineutrino which at
the µ- Decay arise?
• The solution could be that the Neutrinos are
different
The first HE Neutrino Experiment
• Melvin Schwartz (*1932) was researching about Neutrinos
• He was interested in the ratio
  e
  e  
For the case, there is only one type of Neutrinos,
the ratio should be 10-4
• This value could already at that time be excluded (< 10-8 )
• Schwartz had the same idea like Pontecorvo
The Brookhaven Experiment at 1960
Spark Chamber
• The neutrinos react with the Neutrons of the Aluminium
  n  p  
(  n  p  e  )
• The arrised charged particles leave tracks of ionised Neons.
• A Scintillator is triggering the High Voltage
• The tracks are visible as a row of sparks
Distinction between e- und µCharakteristic
Track
e- loose more energy
µ- are radiating less due to their
higher mass
Result
• 1014 Neutrinos traversed the detector
• 29 Neutrino reactions were measured
• All produced are Muons
•If there would exist only one generation of Neutrinos there should
arrise in equal amount electrons and muons
e  
Discovery of the Tau Neutrino
• Discovery of the Tau Lepton 1975
• Postulation of the Tau Neutrino
• Discovery of the Tau Neutrino in 2000 with
DONUT (Direct Observation of NU Tau) at Fermilab
Why is it so difficult to discover the  ?
• Neutrinos appear through their charged Lepton partner
• Lifetime of τ is 300 fs
•  's are rare: From 1013 Neutrinos only 103 have reacted, 4 from
them were 
  n  p  

Results from DONUT
• Es wurden 4 Tau Neutrinos nachgewiesen!
Prediction of W Z Bosons
Glashow-Weinberg-Salam Modell: Electroweak force is mediated by the
W+, W-, Z0 bosons.
Prediction of mass
Discovery at CERN
W+ /W- /Z0: Where and how shall one search?
Measurements with charged and neutral currents (i.e. Muon decay,
Neutrino scattering) ergeben Abschätzungen für die Massen für das
W± bzw. Z0:
MW ≈ 80GeV und MZ ≈ 90GeV
In particle collisions it can be produced new particles up to a mass of M = s
Production in e+ e- - collisions? (LEP in Planning)
but:
e+ + e- → Z0 → ... ✔
aber: e+ + e- → W+ + W- → ... ✘
(Schwerpunktsenergie von ≈ 160GeV notwendig)
Am CERN bereits vorhanden: Protonenbeschleuniger SPS mit fixem
Target
Protonen werden dort auf eine Energie von EP ≈ 300 GeV
beschleunigt s ≈ 25 GeV
Neue Idee: Protonen und Antiprotonen aufeinander schießen
Vorteile:
• Antiquark als Valenzquark im Antiproton vorhanden
• Nur ein Beschleunigungsring nötig
Problem: Woher Antiprotonen?
Erzeugung durch Beschuss eines Targets mit Protonen:
sehr ineffizient! ( N anti-P ≈ 10-6 ∙ N P)
Daher: Notwendigkeit der Speicherung der Antiprotonen um sie zu sammeln
neues Problem: Antiprotonen sind „heiß“ (haben große Impulsverteilung)
Idee von Simon van der Meer:
stochastische Kühlung
Stochastic Cooling
S.v.d.Meer, 1972
Kicker
Ein Teilchen, das nicht auf der
Sollbahn liegt, influenziert auf dem
Pickup ein Signal
Dieses Signal wird im Kicker zur
Korrektur der Teilchenbahn
verwandt
++++ ++++
---- ---Pickup
Principle of stochastic cooling
Nachweis von W±→e±+ νe
•Das W zerfällt in zwei Teilchen, ein hochenergetisches e±(oderMyon)
und ein Neutrino. Zerfall back to back im Schwerpunktssystem des W.
•Da das Neutrino nicht detektiert wird, benutzt man “missing pT”
(Impuls!) alsSignatur.
Der fehlendeTransversalimpuls ist betragsmäßig gleich dem des e±
und hat das umgekehrte Vorzeichen =>Man muß den (transversal-)
Impuls/Energie allerTeilchen bestimmen
•Zerfälle des W in du,...quark treten häufiger auf, sind aber schwer
vom QCD Untergrund zu trennen.
Der UA1 Detektor
Zentraldetektor
Elektromagmetisches Kalorimeter
Hadronen Kalorimeter
Magnets
Myonen Kammern
•zwei Ebenen aus je vier Lagen Driftröhren

W  e 

ET>15GeV (1,5 * 106events)
Isolierte e-Spur im DC mit pT> 7GeV (Faktor100 weniger)
Energiedeposition in Hardronen Kalorimeter>600MeV (346 events)
Ereignisse ohne Jets(55 events)
Ereignisse in der Mitte des Detektors(43 events)
43 events wurden von Hand angeschaut und für gut befunden
Missing energy
Bestimmung der Masse des W
Messung des Transversalimpulses und Transversalenergie
Jakobi Peak

m  2 p pT (1  cosve )
2
T
e
T
mW
2
Events per [GeV]
pT [GeV]
Transversale Masse
Nachweis von Z0→e++ e•Suche nach isolierten e±Spuren: hohe Energie im e/m
Kalorimeter (>25GeV) und nur wenig Energie im
Hadronen Kalorimeter (<800MeV)
•Ausschluss aller events, wenn alle
überigenTeichlenzusammen pT>3GeV
•4 events nach den cuts
Gleiches Schema für µ+µ-liefert insgesamt neun
events
Nachweis von Z0→e++ e-
Energy Deposition
Invariante Masse des Z
Bestimmung der Masse des
Z zu:mZ = (93,9±2,9) GeV/c2
Precision Studies at LEP
What happens in e- e+collisions
•
Zu vermessen:
– Form der Resonanz
– Zerfallsraten für verschiedene
Endzustände
•
Was sind nun die möglichen
Zerfallskanäle?
•
Z “Weglänge”  2 x 10-18 m
Z Decay Channels:
Z -> e+e-
(Bhabha-Scattering)
Z -> m+mZ -> t+tZ ->

Z -> Quark Anti-Quark
e+e- : Bhabha_Scattering
m+m- : Muon Produktion
t+t- : Tau Production
t+t- : Tau Production

e+
-
u
W-
Z
e-
Pions,Kaons
d
+
W+
+


Quark-Pair Production
Quark-Pair Production
 10-15 m
How can we see Neutrinos if
they are invisible
The Production Probability for Hadrons =
 Hadrons
Hadrons
12 e


2
M Z total
total
 = Resonance Width
total  had  3 lepton  N 


l 
12 Rl
N  
 Rl  3 
2
  M Z  Hadrons

=2 (from Theory)
Rl 
l
Hadrons
Relative Number (Ratio) of
leptonic zu hadronic Events
-> “Counting Experiment”
•Count hadronic Events
•Count leptonic Events
N  2.9835  0.0083
Precise Measurements
M Z  91.1871  0.0021 GeV / c 2
Z
 2.4944  0.0024 GeV / c 2
0
 had
 41.544  0.037 nb
sin 2 W  0.23192  0.00023
g 2 sin 2 W  e 2
M W2
sin W 1  2
MZ
2
...and other observables consistent with
the Standard Model
What for are these precise
measurements
Example : Prediction of the TopQuark Mass
For this we consider again the reaction e+e- -> Hadrons...
e-
Quark
e+
Experimentel
precisely
measured…
Z
Anti-Quark
This is a Quantum Process
Reminding Some Quantum Mechanics
The Double Gap - Experiment
A1
Photon - or
Elektron Source
A2
QM gives Probability Distribution for Aufprallort :
P = | A1 + A2 |2 = |A1|2 + |A2|2 + 2ReA1*A2
Interference!!
Consider all possible ways, |sum their Amplitudes|2
That's Why...
A2
A1
e-
Quark
+
Z
e+
Top
e-
Quark
Z
e+
Anti-Quark
Z
Anti-top
Anti-Quark
A3
e-
+
Quark
+ ...
Higgs
e+
Z
Anti-Quark
E2  m2 + p2
Sum all possible
Ways, to come
to the same
final state
So...
Ptot   had  A1  A2  A3  ...
2
2
 A1  A2
A1
2
 A2
2
 A3
2
A2  f (mtop )  mtop
2
2

 A3  2 Re A1* A2  ...
 ...
2
A1
2
 2 Re A1* A2
A3  f mHiggs   log mHiggs
If Measurement precision is high -> sensitivity to these Terms
-> sensitivity to Top- and even Higgs-Mass
RESULT:
Mtop
= 173.2 +/- 4.5 GeV/c2
Mhiggs = 77 +69 -39
GeV/c2
Direct Discovery at Fermilab :
Mtop
= 174.3 +/- 5.1 GeV/c2