Lepton Masse Lebensdauer

e 1 eV

190 keV

18,2 MeV

e 511 keV

105,7 MeV 2,197 s

1,777 GeV 0,291 ps

Leptonen:

Quark Masse typische Lebensdauer

u 1,5 – 3,3 MeV

c 1,3 GeV 1012 s

t 171 GeV 1023 s

d 3,5 – 6,0 MeV 103 s

s 100 MeV 109 s

b 4,2 GeV 1012 s

Quarks:

Der Aharonov-Bohm-Effekt:

Experiment: Möllenstedt und Bayh, 1962

Bew

egun

gsric

htun

g de

s F

ilms

Strom konstant

Strom konstant

Strom wird gleichförmig erhöht

Beobachtungs-ebene (Film)

Spule

Elektronen-strahl HV

HV HV

1.2.4. Ausblick

Wechsel-wirkung

klassisch Quantenfeldtheorie

Gravitation

stark

schwach

elektrisch

magnetisch

allg. Relati-vitätstheorie

(Einstein)

Elektro-dynamik

(Maxwell)QED

QCD

QFD

GU

TG

roß

e V

ere

inh

eitli

chu

ng

TO

E:

The

ory

of E

very

thin

g

heutiger Stand

1.3. Experimentelle Ansätze

a) Z-Sektor

ffZee mit GeV91Ms Z

LEP (CERN), SLC, PEP (SLAC), PETRA (DESY)

XZpp XZpp TeV2s TeV14...7s

Tevatron (FNAL) LHC (CERN)

Nν νN, e,ν νe, -Streuung(CERN, FNAL, Kernreaktoren,...)

HERA (DESY)Xepe GeV330s mit

b) W-Sektor WWee mit GeV160M2s W

LEP (CERN)

XWpp XWpp TeV2s TeV14...7s

Tevatron (FNAL) LHC (CERN)

HERA (DESY)Xνpe GeV330s mit

( )

ττeeLEP, CLEO, ARGUS, BES, BaBar, Belle

...XJetstpp LHC (CERN)

(single top production)

c) Gluon-Sektor

Jetsee LEP, SLC, PEP, PETRA

XJetspp XJetspp TeV2s TeV14...7s

Tevatron (FNAL) LHC (CERN)

HERA (DESY)

Jetsepe GeV330s mit

etc.

d) Massen-Sektor

XHee LEP

XHpp XHpp

Tevatron (FNAL)

LHC (CERN)

Higgs:

Quark-Mischung und CP-Verletzung

BBee BaBar (SLAC), Belle (KEK)

Xbbpp Xbbpp

Tevatron (FNAL)

LHC (CERN)

bbee LEP (CERN), SLC (SLAC)

etc.

μν

Neutrale Ströme: Gargamelle Blasenkammer (CERN) eνeν μμ

e

Erstes Z-Boson im UA1-Detektor (CERN)

eeZhttp://cdsweb.cern.ch

http://cdsweb.cern.ch

Energiedeposition im EM-Kalorimeter

Verteilung der invarianten Di-Lepton-Massen

ZUntergrund

Gezeiteneffekte der LEP-Strahlenergie

Vollmond

Halbmond

Spurdetektor teilweise im B-Feld

elektromagnetisches Kalorimeter

hadronisches Kalorimeter

Myon-Spurkammern

Teilchen-ID(Cherenkov,TRD)

n, KL

e

p, , K

Silizium-Vertexdetektor

Innen Außen

Prinzip von Großdetektoren Modularer Aufbau

Selektion:

Z,e

e

e,,

e,,

Z,e

e

q

q

Ze

e

ν

ν

Unsichtbar:

ein Diagramm pro Neutrinoflavour mit

2m MZ

:ee

zwei Spuren jeweils mit Impuls MZ2minimal ionisierende Spur durch beide Kalorimeter

Spurkammern

elektromagnetisches Kalorimeter

hadronisches Kalorimeter

Myon-Kammern

Signale vom Durchgang durch die Myon-Kammern

:eeee

zwei Spuren jeweils mit Impuls MZ2

zwei e.m. Schauer jeweils mit Energie MZ2

:ττee

τeννeτ

τμ ννμτ

Mittlere -Zerfallsstrecke: 2mm

:ττee τeννeτ

τνπππτ fehlende Energie

kleine Multiplizität

einzelne Leptonen mit Impuls MZ2

Jet-artige Strukturen mit 15 Hadronen und Gesamtimpuls MZ2

:)g(qqee

zwei (oder mehr) Jets von Hadronen

Impulssumme 0

Energiesumme ee-Schwerpunktsenergie

Z-Resonanzkurve und totale Breite

MeV 3,22,2495Γ tot

Z-Partialbreiten

MeV 5,10,499Γ

MeV 086,0984,83ΓMeV 0,24,1744ΓMeV 3,22,2495Γ

inv

lept

had

tot

0,04520,764R

0,03320,785R0,0500,8042R

τ

μ

e

τμ,e,hadτμ,e, ΓΓR

Selektion: :bb,ccee

Sekundärvertizes

0,00300,1721R c

hadbc,bc, ΓΓR

0,000660,21629R b

Z-Resonanzkurve für verschiedene N

007,0986,2N ν

Sensitivität der Asymmetriefaktoren auf den Mischungswinkel

2fA

2fV

fA

fV

fgg

gg2

Α

Winkelverteilung für Myon-Paare

ZMs

GeV2Ms Z

GeV2Ms Z

Messung der Rechts-Links-Asymmetrie am Linear-Collider SLC

Messung der -Polarisation

τ

τ

νπτ

νπτ

τμ

τμ

ννμτ

ννμτ

Winkelabhängigkeit der -Polarisation

Z-Kopplungen an Leptonen

Winkelasymmetrie für bb- und cc-Ereignisse bb

cc

Z-Kopplungen an Quarks

Charm Bottom

Eines der ersten W-Bosonen im UA1-Detektor (CERN)

mT-Verteilungen von CDF, D0 (Tevatron)

νeW

νμW

Präzisionsmessung von MW

Präzisionsmessung der W-Masse als Test der Schleifenkorrekturen im Standardmodell

Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix

33

tbtstd

cbcscd

ubusud

1VVVVVVVVVVV

Vbsd

Vbsd

Unitarität

μ

5μμ

5μ Wtcu

γ1γbsd

V2

gW

bsd

Vγ1γtcu

2

gL

μ

5μμ

5μ Wtcu

Vγ1γbsd

2

gW

bsd

Vγ1γtcu

2

g

μ

5μμ

5μ Wtcu

Vγ1γbsd

2

gW

bsd

Vγ1γtcu

2

gL

W

d uudV

W

u dudV

W

d uudV

W

u dudV

Allgemeine Lorentzstruktur für Fermionströme

Lorentz-Trafo eines Vierervektors:ν

νμμ xax

a) Eigentliche LT:

γ00γβ01000010

γβ00γ

νμa

1adet

θM001

a3313

31ν

μ

b) Uneigentliche LT: 1adet

1

1a ν

μ

Boost Drehung

11

a νμ

Zeitspiegelung Raumspiegelung

λκTκ

νλ

μμνT jaaj

1) Skalar (1): i44fS u1uj SS jj

2) Pseudoskalar (1): i5

fP uγuj PP jadetj 3) Vektor (4): i

μf

μV uγuj ν

Vνμμ

V jaj 4) Axialvektor (4): i

5μf

μA uγγuj

5) Tensor (6): iμν

fμνT uσuj

νAν

μμA jaadetj

mit ,γσ μ2iμν

16 linear unab-hängige komplexe

44-Matrizen μν

TμA

μVPS j,j,j,j,j

vollständige Basis des ℂ-Vektorraums der

komplexen 44-Matrizen

τνντ μe ννeμ

WWeeσ

Tiefunelastische Streuung, neutraler Strom (,Z)

Tiefunelastische Streuung, geladener Strom (W)

elektromagnetisch

schwach

Vereinigung bei2W

2 MQ

22

GeVpbdQ

σd

Tief-unelastische ep-Streuung

Die starke Kopplungskonstante

Die Farbfaktoren der QCD-Eichgruppe

Higgs-Mechanismus im Standardmodell

43

212

10 i

i1Y,I 2

1

222

ν2gν

2gν μYBWτi

L

νDi

V

Lokal invariant unter SU(2)LU(1)Y

Spontane Symmetriebrechung für 2 0

Spontane Symmetriebrechung

2v

0

0

L0

a )2(SU0τ

Vakuum: .minV0

gebrochen

Y0

)1(U0Y

gebrochen

Q0

)1(U0Q

ungebrochen

Eichfixierung – Eliminierung der Goldstone-Bosonen

Iτ21

Symmetrie-Generator

(bzw. Linearkomb.)

Goldstone-Bosonen

Higgs-Bosonen

Feldquanten

20 0M,W W

321 τYQ 01 0M,γ γ

321 τY 10 0M,Z Z

Higgs-Verzweigungsverhältnisse vs. Higgs-Masse

Globaler Fit an alle elektroschwachen Observablen mit Higgs-Masse als freier Parameter

6.1.4. Ausblicka) Mögliche Erweiterungen:

• Mehrere Higgs-Dubletts oder Tripletts

• Mehrere geladene und neutrale Higgs-Bosonen

b) Supersymmetrie: Felder supersymmetrische Partner Fermion skalare Boson

Boson Spin-½-Fermion

Minimale Version der Theorie: 2 Higgs Dubletts

h HA

H H

skalar, CP pseudoskalar, CP skalar, geladen

neutral

Vorhersage: mh MZ mStrahlungskorrektur 150 GeV≲

Partner: Spin-½-Higgsinos Charginos & Neutralinos

Z

c) LHC: pp bei (ab 2010), (ab 2013)TeV7s TeV14s

g

g

H

t

t

dominante Erzeugung wichtige Zerfälle für mH

H

t

t ≲ 150 GeV

H150 200 GeV

νW

νW

H≳150 GeV

Z

Mischung neutraler Mesonen: 00 P,P

Erzeugung

(starke WW)

0

0

P

Pschwache WW

Zerfall

(schwache WW)

Mischung

00 PP

Konzept des effektiven Hamiltoneans (nicht-hermitesch):

ψimψHψi 2Γeff

t

02

Γ ψtexpimtexpψ

Zerfall

tΓexpψψ 1ψτ ✔

Oszillationsparameter für -Mischung00 D-D

002,0008,0y

003,0010,0x

ns7,23mΔ

D

D

16,61,7D

Messung der -Mischungss B-B

5,01,26xps12,077,17mΔ

s

1s

Schrödingergleichung für 00

00 PtPPtPψ

tPtP

iHHi

tPtP

M00M

tPtP

i0

0

2Γeff

21

eff122

Γ

0

0

0

0td

d

strongH effweakH

wobei:

ΓΓΓMMM

2211

2211

wegen CPT-Symmetrie

0H,H eff21

eff12 00 P,P -Mischung

Entdeckung der CP-Verletzung: ππKL

Zerfallsrate neutraler Kaonen als Funktion

der Zeit

ππK0

Interferenzterm extrahiert aus a)

ee-B-Fabrik: BaBar (SLAC), (Super-)Belle (KEK) Zukunft: SuperB (?) bei Rom (?)

e e

9,0 GeV 3,1 GeV

0s4 BM2Ms

WW 0B 0B

asymmetrischer Collider Lorentz-Boost

t messbar

Vorteil: Sehr einfacher Endzustand

Herausforderung: Extreme Luminositäten erforderlich

heute Routine:

Zukunft:

1234 scm10 L1235 scm10 L

Hadronische-B-Fabrik: LHCb am LHC (ab 2010)

Xbbpp b-Hadron Signalzerfall

b-Hadron Zerfall Flavour-„Tag“

Vorteil: tot riesig; ; ultimative Statistik 2

totbb 10σσ

Herausforderung: komplizierter Endzustand

anspruchsvoller Trigger

f) Experimente zu Neutrino-Massen:

-Zerfall: e33 νeHeH

21

e02ν

2e0e EEmEEEK

E0 Ee

Kurie-Plot

K(Ee)

E0m

.l.c %95eV2m eν

Zerfall ruhender Pionen: μνμπ

2μ

2μπ

2μ

2π

2ν mpm2mmm

μ

.l.c %90eV190m μν

p

vom Zyklotron

Target

zum Spektrometer μp

Veto-Szintillator

Abbrems-Target und Signal-Szintillator

-Zerfall: π3ντ,ππ5ντ τ0

τ

.l.c %95MeV2,18m τν

had had

2ντ

2ν

2ντ

2ν

2τ

2had )mm(pmm2mmm

ττττ

im -Ruhesystem

maxhadτν mmmτ

m mhad

hadmd

dN

maxhadm

Doppel--Zerfall: Ist e ein Dirac- oder ein Majorana-Teilchen?

Ist e ein massives Teilchen?

Existieren rechtshändige e-Ströme?

E2e

e2Ed

dN

Endpunkts-Energie

Normal: L 0 eν2e22Z,AZ,A

Neutrinolos:

L 2 Majorana-

e22Z,AZ,A

Neutrinoloser Doppel--Zerfall auf dem Quarkniveau:

LW

LW

d

d u

u

Le

Le

Rν

LννLL mA

Majoranamasse Chiralitätsflip

LW

RW

d

d u

u

Le

Re

Rν

RνLRA

rechtshändiger geladener Strom

Effektive Majoranamasse (Mittelwert, gewichtet mit relativen Beiträgen leichter Majorana-Neutrinos):

eV11,0 m ββ

oder andere neue Physik stets folgt Existenz von Majorana-

b) Experimentelle Ansätze:

Sensitivitätsbedingung für Nachweis von Oszillationen:

222

12

eVmδ

1

MeVE

mL

mδ

4

E

L1

2

ΔO

Sensitivitätsbedingung für m2: 2E

Lexp mδ

4σ

sonst

θ2sinθ2sinδmsin)νP(ν

22122

E4L2

ba

Ausschmierung durch experimentelle Auflösung

nur sensitiv auf

i) DisappearanceExperimente:

ii) AppearanceExperimente:

Quelle Detektor

aν aνFluss Q bekannt Fluss D wird gemessen

? QD

Quelle Detektor

μν XτNν τ

Fluss Q bekannt

,νμν πντ

μτ

τ

Neutrino-Quellen:

• Kernkraftwerke• atmosphärische Neutrinos• innere Erde• aktive galaktische Kerne

• Teilchenbeschleuniger• unsere Sonne• Supernovae

-Quelle -Typen E / MeV L / km m2|min / eV2

Reaktor 110 0103 105

Beschleuniger 103105 102103 103

Atmossphäre 102104 0104 105

Sonne 0,110 108 1012

eν

μμ ν,ν

eeμμ ν,ν,ν,ν

eν

c) Atmosphärische Neutrinos:

Erde

kosmische Strahlung (p)

Luftschauer

,e

,e

Untergrund-Detektor

-Entstehung in hadronischen Schauern

,K,πNp mehr positive als negative

kosmische Strahlung

Kern in Atmosphäre

μe ννeμνμK,π

μe ννeμνμK,π

Erwartung:

2)ν(N)ν(N

)ν(N)ν(N

ee

μμ

1)ν(N

)ν(N

μ

μ 1)μ(N

)μ(N

)ν(N

)ν(N

e

e

Im Detektor: Xμ,XeNν μe,

Signatur

Oszillation auf dem Weg durch die Erde

e-Fluss wie erwartet-Fluss „von unten” zu klein

-Fluss „von oben” ✔

Beobachtung der LE-Abhängigkeit des -Defizits

und

Interpretation als Oszillation

Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger-

Experimenten ( L 250735 km )

km735L

atmosphärisch

km250L

d) Solare Neutrinos:

Haupt-Fusionsreaktion in unserer Sonne:

thermische4 Eν2Hee2p4

MeV 14,26E

MeV 59,0E

thermisch

eν2

Ethermisch Solarkonstante: 1211 s cm MeV 105,8S

Neutrinosfluss auf der Erde:

1210

21ν s cm 105,6

MeV 14,26

S

Detailliertes Modell: Standard-Sonnen-Modell SSM

Reaktionen mit e-Produktion im SSM

Reaktion Abk. (cm2 s1)

eνedpp

eνdpep

e43 νeHepHe

γνLieBe e77

e88 νeBeB

e1313 νeCN

e1515 νeNO

e1717 νeOF

pp

pep

hepBe7

B8

N13

O15

F17

101099,5 81042,1 31093,7 91084,4 61069,5 81007,3 81033,2 61084,5

%1%2%16

%11

%16%30

%31%52

Gesamtfluss bekannt mit 1,2% Genauigkeit!

Spektrum solarer Neutrinos im SSM

Experimentelle Techniken:

a) Nachweis von Kernumwandlungen

b) Realzeit-Streuexperimente

c) Tieftemperaturdetektoren

radiochemischer / geochemischer Nachweis

(Schwer-)Wasser-Target hohe Energieschwelle

Flüssigszintillator-Target niedrige Energieschwelle

Einheit für den gemessenen Neutrinofluss:

SNU (Solar Neutrino Unit)

1 SNU 1036 -Einfänge pro Sekunde und Targetkern

Resultate für solare e-Flüsse auf der Erde

Reaktion Schwelle Fluss SSM-Vorhersage

37Cl 37Ar 814 keV 2,6 SNU 8,0 SNU

71Ga 71Ge 233 keV 70 SNU 125 SNU

e e e e 57 MeV 2,35106 cm2s1 8B 5,7106 cm2s1

814 keV233 keV

5 MeV

Klares Defizit von solaren Elektron-Neutrinos bei allen Energieschwellen

e-Oszillation

Direkter Nachweis der solaren eOszillation

Sudbury Neutrino Observatory (SNO)Target: D2 O (schweres Wasser)

Schwellenenergie: 1-2 MeV X exklusiv von 8B 8Be e e

Reaktionen:

Charged Current (CC):

Neutral Current (NC):

Elastic Scattering (EC):

eppdνe

XX νnpdν

eνeν XX

e e

Wn pp p

X XZn,p

p,nn,pp,n

e

XZ

e

X

e

e W

e

e

)ν( eCC

)ν,νν()ν( τμeeNC

)ν,νν()ν( τμe132

eEC

Lösung des solaren Neutrino-Problems

SNO,CC

SNO,NC

SNO,ECKamiokande,EC

Vorhersage SSM

Bestätigung: KamLAND-Experiment

ee ννP mit von Kernkraftwerken ( L 1001000 km )eν

km180LL0

Experimenteller Stand Neutrino-Oszillationen

Linien: Ausschlussgrenzen

Flächen: Messungen

Solare NeutrinosReaktor-Neutrinos

Atmosphärische NeutrinosLong Baseline -Exp.

Spektrum der Neutrino-Masseneigenzustände

23eV104,2

25 eV106,7 e

1

2

3

oder „invertiert”: