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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
3Standardmodell - SS 2009
• 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
4Standardmodell - SS 2009
• 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
5Standardmodell - SS 2009
• 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
6Standardmodell - SS 2009
• 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
7Standardmodell - SS 2009
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
8Standardmodell - SS 2009
π+ ℓ+ν
K +
u
s'
μ
ν
W
Vus
Links- und rechts-chirale Kopplungen
9Standardmodell - SS 2009
• 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
10Standardmodell - SS 2009
Chirale Kopplungen → Vektor- und Axialvektor-Kopplungen
11Standardmodell - SS 2009
• Chirale Kopplungen:
• Vektor- und Axialvektor-Kopplungen:
• Definiere:
Neutrino-Nukleon-Streuung
12Standardmodell - SS 2009
• 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
13Standardmodell - SS 2009
• 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
14Standardmodell - SS 2009
• 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
15Standardmodell - SS 2009
• Text
Target-”Revolver”
Magnet-Horn
16Standardmodell - SS 2009
• Entwickelt am CERN von S. van der Meer (1961)
Funktionsweise des Magnet-Horns
17Standardmodell - SS 2009
• 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
18Standardmodell - SS 2009
• Simulation der Teilchenbahnen → Ladungs-Auswahl der Strahlteilchen
CNGS Magnet-Horn
19Standardmodell - SS 2009
Gargamelle 1973
20Standardmodell - SS 2009
• 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
21Standardmodell - SS 2009
“Neutron-Stars”
Ereignisse mit geladenem und neutralem Strom
22Standardmodell - SS 2009
CC NC
μ
Neutraler Strom mit Elektronen
23Standardmodell - SS 2009
e-
Z
e-
Gargamelle-Publikation 1973
24Standardmodell - SS 2009
• Text
Beispiele: vN mit neutralem Strom
25Standardmodell - SS 2009
u,d
Z
u,d
νμ νμ
p p'
k k'
MN=Nukleonmasseq(x)=Parton-Dichteverteilung
im Nukleon N
Beispiele: vN mit geladenem Strom
26Standardmodell - SS 2009
d'
W-
u
μ-νμ
u
W+
d'
μ+
J=0
J=1, Jz=±1
Verhälnis NC/CC und ρ-Parameter
27Standardmodell - SS 2009
• 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
28Standardmodell - SS 2009
• 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
29Standardmodell - SS 2009
1973 Gargamelle misst:
NuTeV Experiment
30Standardmodell - SS 2009
SSQT=Sign Selected Quadrupole Train
BeO Target
μ-
800 GeV Protonen
NuTeV Experiment
31Standardmodell - SS 2009
NuTeV Experiment
32Standardmodell - SS 2009
NuTeV Experiment
33Standardmodell - SS 2009
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
34Standardmodell - SS 2009
• 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