ΤΟ ΜΠΟΖΟΝΙΟ Ζ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΓΙΩΡΓΟΣ Α.Ε.Μ. 12077 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010
Jan 12, 2016
ΤΟ ΜΠΟΖΟΝΙΟ Ζ
ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΓΙΩΡΓΟΣ
Α.Ε.Μ. 12077
ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2010
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΤΟΥ ΜΠΟΖΟΝΙΟΥ Ζ ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ Ζ ΔΙΑΣΠΑΣΕΙΣ ΤΟΥ Ζ BRANCHING RATIOS ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ Ζ ΓΩΝΙΑ WEINBERG ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΜΠΟΖΟΝΙΟΥ Ζ :
Φορέας της ασθενούς αλληλεπίδρασης (μαζί με τα W ) Μποζόνιο βαθμίδας (spin=1) Ηλεκτρικά ουδέτερο Μάζα περίπου 91GeV (90 φορές μάζα πρωτονίου) Βραχύβιο ζει μόλις 10 sec Δεν μετέχει στη αλλαγή της γεύσεως των κουαρκ
0
25
ΕΙΣΑΓΩΓΗ
ΛΙΓΑ ΓΙΑ ΤΙΣ ΑΣΘΕΝΕΙΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ:
Λόγω μεγάλης μάζας φορέων μικρή εμβέλεια των αλληλεπιδράσεων:
(1% της ακτίνας του πρωτονίου). Υπεύθυνες για την β- διάσπαση και για φαινόμενα όπως η σύντηξη στο
εσωτερικό του ήλιου. Παραβιάζουν σχεδόν όλες τις συμμετρίες (π.χ. parity).
cmR 1610
ΙΣΤΟΡΙΚΑ
MAXWELL: Ενοποίηση ηλεκτρισμού-μαγνητισμού (ηλεκτρομαγνητισμός).
GWS (1967): Απέδειξαν ότι οι Ηλεκτρομαγνητικές
αλληλεπιδράσεις και οι Ασθενείς αλληλεπιδράσεις αποτελούν
διαφορετικές όψεις των Ηλεκτρασθενών Αλληλεπιδράσεων. – ΠΡΟΒΛΗΜΑ: Θεωρία με αβαρή μποζόνια! – ΛΥΣΗ: Higgs (1964) είχε προτείνει έναν μηχανισμό ο οποίος επέτρεπε τη
δημιουργία μαζών για τα σωματίδια αυτά.
ΙΣΤΟΡΙΚΑ
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΠΙΒΕΒΑΙΩΣΗ???
Gargamelle Bubble Champer (CERN,1973 ): Παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά τα ουδέτερα ασθενή ρεύματα που οφείλονται στο Ζ.
FERMILAB (CHICAGO,1974): Επιβεβαίωση παρατηρήσεων του CERN.
ΑΡΧΕΣ ’80: Nέοι συγκρουστήρες δεσμών p-pbar στο CERN και στο FERMILAB, προσέφεραν τις αναγκαίες ενέργειες για την παραγωγή των βαρέων μποζονίων-φορέων.
1983: Ανακάλυψη του W, 6 μήνες μετά του Ζ (Super Proton Synchrotron ~700GeV, ανιχνευτές UA1,UA2).
1984: Βραβείο Nobel οι Carlo Rubbia και Simon van der Meer.
Ο επιταχυντής και οι εμπνευστές του….
ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΟΥ Ζ
Το μποζόνιο Ζ παρατηρήθηκε πρώτη φορά μέσω των παρακάτω
διαδικασιών παραγωγής και διάσπασης:
u+ubar
Z e + e , μ + μ
d+dbar
0
ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥ Ζ
Τα παρατηρούμενα γεγονότα παραγωγής Ζ (από ppbar) και διάσπασηςτου σε e+ e-, είναι:
όπου σ(ppbarZx) είναι η ενεργός διατομή παραγωγής του Ζ, η ολοκληρωμένη φωτεινότητα (στη μονάδα του χρόνου), το Branching ratio του Ζ σε e+e-, ε η απόδοση του ανιχνευτή και Α ένας παράγοντας γεωμετρίας.
)(, eeZBRLdtZxppeeZZxpp
L)( eeZBR
ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥ Ζ
Επομένως η ενεργός διατομή παραγωγής του Ζ προκύπτει ίση με:
είναι της τάξης του 0,1nb με τις ενέργειες της εποχής εκείνης (δέκα
φορές μικρότερη από αυτή του W) και περιγράφεται από μια καμπύλη
συντονισμού Breit-Wigner.
Ldt
NNeeZBR backroundZ
Zxpp )(
Μια μικρή παρουσίαση του επιταχυντή LEP….
(Large Electron Positron Collider)
Χρόνος: 1989 - 2000
Θέση: CERN, Ελβετία
Περιφέρεια: 27 Km
Σωμάτια: ηλεκτρόνια-ποζιτρόνια
Ενέργεια δέσμης: 45GeV – 104.5GeV
Λαμπρότητα: 1031-1032 cm-2sec-1
Πειράματα: ALEPH,DELPHI,L3,OPAL
Χαρακτηριστικά: καθαρό περιβάλλον (μικρός
σχετικά αριθμός φορτισμένων τροχιών,
ελάχιστη ραδιενεργός ακτινοβολία)
ΔΙΑΣΠΑΣΕΙΣ ΤΟΥ Ζ
Χωρίζονται σε λεπτονικές:(όπου l λεπτόνιο και lbar το αντίστοιχο
αντισωμάτιο)
και αδρονικές διασπάσεις: (όπου q κουαρκ, qbar αντικουαρκ και g
γκλουόνιο)
Περί ανιχνευτών….
Ένας σύγχρονος ανιχνευτής αποτελείται από ένα μεγάλο αριθμό επιμέρους
ανιχνευτών διαφορετικών ειδών, από τους οποίους κάθε είδος έχει ένα καλώς
καθορισμένο καθήκον στη διαδικασία ανίχνευσης.
Ο ανιχνευτής ALEPH:
Αποτελεί τυπικό παράδειγμα
ενός σύγχρονου ανιχνευτή
με τους διάφορους τύπους
ανιχνευτών να διακρίνονται
στην εικόνα:
(Τα γεγονότα που παρουσιάζονται στη συνέχεια είναι από τον συγκεκριμένο ανιχνευτή.)
Γεγονότα Ζ→ e+e- :
Δύο αντίθετα φορτισμένες
τροχιές που σχηματίζουν
γωνία 180 μοιρών.
Η μετρούμενη ενέργεια
είναι κοντά στη
διαθέσιμη ενέργεια
και έχουν αφήσει
ίχνη μόνο στο
Η/Μ Θερμιδόμετρο.
Ανιχνευτής ΤροχιώνΗ/Μ Θερμιδόμετρο
Γεγονότα Ζ→ μ+μ- :
Δύο αντίθετα φορτισμένες
τροχιές που σχηματίζουν
γωνία 180 μοιρών.
Η μετρούμενη ενέργεια
είναι κοντά στη διαθέσιμη
ενέργεια και έχουν αφήσει
ίχνη στο Αδρονικό
Θερμιδόμετρο και στους
Μυονικούς Θαλάμους.
Γεγονότα Ζ→ τ+τ- :
Δυσκολότερη η ανίχνευση των γεγονότων, διότι τα γεγονότα δεν είναι τόσο
καθαρά όσο στις προηγούμενες περιπτώσεις. Συνήθως, έχουμε:
Γεγονότα Ζ→αδρόνια (q qbar jets)
Πολλές φορτισμένες τροχιές (συνήθως περισσότερες από 6) οι οποίες δεν βρίσκονται ισότροπα
κατανεμημένες στο χώρο αλλά καταλήγουν σε 2 ή 3 πίδακες (jets) , σπανίως καιπερισσότερους. Έχουμε ίχνη σε όλους τους υπό-ανιχνευτές.
BRANCHING RATIOS (BR):
Από τις μετρήσεις των διαφόρων ενεργών διατομών μπορούμε να
καθορίσουμε τα BR για το Ζ, καθώς και το συνολικό πλάτος αλλά και τα
επιμέρους πλάτη, αφού ισχύει η σχέση:
(π.χ. για τη διάσπαση Ζe+e-)
Για την περίπτωση Z →νν� , που δεν μπορούμε να την
μετρήσουμε απευθείας μπορούμε να πάρουμε πληροφορίες από:
eeqq
)(
)()(
eeeeBR
BRANCHING RATIOS (BR):
Τα αποτελέσματα των BR είναι τα εξής:
Z LINESHAPE AND NEUTRINOS
•Όσο περισσότερα τα λεπτόνια
στα οποία μπορεί να διασπαστεί
το Ζ τόσο πιο εύκολο είναι
«να πεθάνει».
•Άρα τόσο πιο μικρό χρόνο ζει.
•Γνωρίζουμε ότι:
t
Z LINESHAPE AND NEUTRINOS
1989-1995, CERN:
O επιταχυντής LEP μέτρησε πάνω από 4 εκατομμύρια διασπάσεις του Ζ.
Ο αριθμός των οικογενειών των νετρίνων υπολογίστηκε:
Nν = 2,9841± 0,0083.
ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ Ζ
Από τις διασπάσεις του:
1)Λεπτονικές διασπάσεις (κυρίως e )
2)Σε συγκρούσεις δεσμών e+ e- (π.χ. LEP) από τη μέτρηση της ενεργού διατομής
3)Αδρονικές διασπάσεις
Αυτή τη στιγμή η μάζα του Ζ έχει υπολογιστεί 91,187 GeV
ΓΩΝΙΑ WEINBERG (θ )
Η Λαγκρανζιανή που περιγράφει τις ηλεκτρασθενείς αλληλεπιδράσεις είναι:
Διανυσματικό πεδίο Αφορά τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Βαθμωτό πεδίο Αφορά τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις.
Ο λόγος των συζεύξεων των και ισούται με την εφαπτομένη της γωνίας Weinberg, δηλαδή:
W
BJgWJgL
WB
W B
Wgg tan/
ΓΩΝΙΑ WEINBERG (θ )
Γνωρίζουμε ότι η σύζευξη για το ηλεκτρομαγνητικό ουδέτερο ρεύμα είναι e. Η γωνία Weinberg σχετίζεται με τη σύζευξη e ως εξής:
H γωνία Weinberg μας δίνει πληροφορίες και για τις μάζες των μποζονίων του προτύπου GWS αφού έχει αποδειχτεί ότι:
W
Wge sin
0
cosZ
WW M
M
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
Εισαγωγή στη Φυσική Υψηλών Ενεργειών Donald H. Perkins The Physics of the Z and W Bosons R. Tenchini, C.Verzegnassi
Στοιχειώδη Σωμάτια Α. Νικολαΐδης Review of final LEP results J. Drees Measurement of W and Z Boson production
and Branching Ratios at CDF William F. Badgett The number of neutrinos and the Z line shape Alain Blondel www.cerncourier.com www.wikipedia.com