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