EEP Folien.key

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EEP Folien.key

Experimentelle
Elementarteilchenphysik
– Folien zur Vorlesung –
Ulrich Husemann
Humboldt-Universität zu Berlin
Sommersemester 2009
U. Husemann, Experimentelle Elementarteilchenphysik
1. Vorlesung
Vorstellung
Vorlesung: Dr. Ulrich Husemann
Seit April 2008 „Nachwuchsgruppenleiter” (DESY, Zeuthen)
Forschungsgebiet: exp. Teilchenphysik am LHC (ATLAS)
E-Mail: [email protected]
Zeuthen: Raum 3L/27, Tel.: 033762-7-7392
Büro Berlin: 2’412
Übung: Dipl.-Phys. Clemens Lange
E-Mail: [email protected]
Zeuthen: Raum 3P/10, Tel.: 033762-7-7194
Exp. Elementarteilchenphysik (P23.1.1), HU Berlin, Sommersemester 2009
3
Inhalte und Ziele der VL
Grundlagen der experimentellen
Elementarteilchenphysik (EEP): Tests des
Standardmodells (SM) und Suche nach Neuer Physik
Grobe Inhaltsangabe:
Theoretische Grundlagen des SM
Elektroschwacher Sektor: Kopplungen der W-/Z-Bosonen,
Quarks und Quarkmischung, Neutrinos
QCD: Gluonen, Struktur des Protons
Higgs-Physik
Suche nach neuer Physik: Supersymmetrie?
4
Nicht in dieser Vorlesung
Diese VL: allgemeine experimentelle Grundlagen der
Elementarteilchenphysik
Weitere experimentelle Spezialisierung (P23.1.2b):
Teilchendetektoren oder Beschleunigerphysik
Spezialvorlesungen, z. B.
Flavorphysik
Physik am Large Hadron Collider
Statistische Methoden der Datenauswertung
5
Vorwissen
Keine formalen Voraussetzungen
VL greift auf Wissen aus folgenden Vorlesungen
zurück:
Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik
(Bachelorstudium, Modul P10c)
Theoretische Einführung in das Standardmodell
(Masterstudium, weiterer Teil des Moduls P23.1.1)
VL ergänzt sich mit VL Kern- und
Elementarteilchenphysik (Teil des Moduls P20)
6
Einordnung der Vorlesung
Teil des Moduls P23.1.1. „Grundlagen der
Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik” im
Spezialisierungsfach „Elementarteilchenphysik”
Zielgruppe:
Studierende im Masterstudiengang Physik (2. Semester)
Obligatorisch für alle Studierenden, die Masterarbeit in
Elementarteilchenphysik anfertigen wollen
7
Termine und Arbeitsleistungen
Termine: 2 VL + 1 Ü
Vorlesung: Montags, 9:00-11:00 Uhr, NEW 14 1'11
Übung: Mittwochs, 9:00-11:00 Uhr, NEW 14 1’12
(jede zweite Woche)
5 Studienpunkte durch „regelmäßige aktive Teilnahme
an den Übungen”:
Präsens in Übungen: mindestens 4 der 7 Veranstaltungen
Bearbeitung von Übungsaufgaben: mindestens 50% der
erreichbaren Punkte
Vorrechnen an Tafel: mindestens einmal
8
Übungen: Termine und Ablauf
Übungsgruppenleiter: Clemens Lange
Übungstermine:
14-täglich: 7 Termine
Erster Termin: Mittwoch, 22.04.09, 9:00–11:00 Uhr,
NEW 14 1’12
Ablauf:
Eigenes Vorrechnen der Übungsaufgaben
Fragen zur Vorlesung
Ausgabe und Abgabe der Übungszettel:
Montags in/nach der Vorlesung
9
Literatur
Webseite zur Vorlesung: http://www-zeuthen.desy.de/
~husemann/teaching/2009_ss/exp_teilchenphysik/
Nachschlagewerk: „The Review of Particle Physics”
Particle Physics Booklet
Langversion: C. Amsler et al., Physics Letters B667 (2008),
Webversion: http://pdg.lbl.gov
Allgemeine Elementarteilchenphysik
D. H. Perkins: Introduction to High Energy Physics
(Cambridge University Press, 2000)
C. Berger: Elementarteilchenphysik (Springer, 2006)
10
Literatur
Theoretische Grundlagen:
F. Halzen, A. D. Martin: Quarks & Leptons (Wiley, 1984)
O. Nachtmann: Phänomene und Konzepte der
Elementarteilchenphysik (Vieweg, 1986)
W. N. Cottingham, D. A. Greenwood: An Introduction to the
Standard Model of Particle Physics (Cambridge UP, 2007)
M. E. Peskin, D. V. Schroeder: An Introduction to Quantum
Field Theory (Westview, 1995)
Weitere Literaturhinweise später…
11
Mandelstam-Variablen
p1
p3
p2
s =
(p1 + p2 )2 = (p3 + p4 )2
t
=
u
=
(p1 − p3 )2 = (p2 − p4 )2
p4
(p1 − p4 )2 = (p3 − p2 )2
Beispiel: Compton-Streuung
e−
γ
γ
γ
e−
γ
e−
γ
e−
γ
s-Kanal
e−
−
e
t-Kanal
u-Kanal
12
V0s und Strangeness
[G.D. Rochester, C.C. Butler, Nature 160 (1947), 855]
© 1947 Nature Publishing Group
2. Vorlesung
13
Flavor-SU(4)-Multipletts
Ds+
0
D
K
!–
"
du
K
"
su
–
D–
C
us"
! '
'c ' ( sd"
0
dc" "
sc
I
"
" cs cd"
cu
D*0
#
"
du
#$
K *0
D*0
Mesonen
0 usc
!
ssc c
" c+
n
udd
dds
uud
uds
& ,#
0
p
uus
uss
"
#c++
#+
0
(b)
(b)
"
uc"
D* " dc sc"
Ds* "
uuc
udc
dsc
! ++
ccc
# 0 $ us" " +
" J/
& % sd" ud #
su
K *"
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"$
+
" cc
# c0
K
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ddc
dss
D* +
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K *0
+
!cc
" c0
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K0
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D0
Ds"
Ds* +
Y
"
"
ud
# c0
++
" cc
dcc ucc
scc
(a)
D+
+
K
0
ds"
" cc+
(a)
"
" cs cd"
cu
[PDG]
+
!cc
ddc
"c
%$
ddd
#$
%0
ssc
$
"+
+ c
!c0 %
#0
uss
dss
sss
# c++
uuc
usc
udd
uds
dds
"
# c+
udc
dsc
0
++
" cc
dcc ucc
scc
!$
uud
uus
"0
uuu
%++
#+
[PDG]
Baryonen
15
Tiefinelastische Streuung
[M. Breidenbach et al.,
Phys. Rev. Lett 23 (1969) 935]
16
Brief an die „Radioaktiven”
17
Kontaktwechselwirkung
e−
e−
p
n
µ−
ν̄e
e+
γ
µ−
QED: eµ-Streuung
Schwache Wechselwirkung:
inverser Betazerfall
18
3. Vorlesung
Standardmodell
[DESY]
20
SPEAR
•
•
•
•
e+e!-Ringbeschleuniger bei SLAC, 0,234 km Umfang
1972–1990, !s < 8 GeV
Detektoren: Mark I/II/III
Entdeckung des J/" und des # -Leptons
21
PETRA
•
•
•
•
e+e!-Ringbeschleuniger bei DESY, 2,304 km Umfang
1978–1986, !s < 23,4 GeV
Detektoren: TASSO, MARK-J, JADE, PLUTO (CELLO)
Entdeckung des Gluons in 3-Jet-Ereignissen; Suche
nach dem Top-Quark
22
LEP
•
•
•
•
Ju
ra
-G
eb
irg
e
•
„Large Electron-Positron Collider” e+e!Ringbeschleuniger bei CERN, 26,659 km Umfang
LEP I (1989–1995): !s = 91 GeV (Z-Resonanz)
LEP II (1996–2000): !s < 209 GeV
Vier Detektoren: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL
Physikprogramm: Präzisionsmessungen desGegesamten
nf
rS
Standardmodells: Z-Sektor, W-Sektor, QCD; eSuche
ee
nach dem Higgs-Boson und Physik jenseits des SM
8,5 km
Standort Prévessin
(Frankreich)
Beschleunigerkomplex
(ca. 100 m unter der Erde)
Standort Meyrin (Schweiz)
23
B-Fabriken: PEP-II & KEK-B
•
•
•
•
•
Spezialisierte e+e–-Ringbeschleuniger mit asymmetrischen Strahlenergien
Prinzip: Erzeugung der $(4S)-Resonanz (gebundener bbbar-Zustand) bei
!s = 10,6 GeV % bewegt sich im Laborsystem
PEP-II (SLAC, 1999–2008): e! mit 9,0 GeV, e+ mit 3,1 GeV, Experiment: BaBar
KEKB (KEK, seit 1999): e! mit 8,0 GeV, e+ mit 3,5 GeV, Experiment: Belle
Physikprogramm: genaue Vermessung von Bottom-Quarks, CP-Verletzung
24
International Linear Collider
33 km Länge, geplant nach
2020(?)
• !s = 300 . . . 500 GeV(?)
• Zwei Detektoren
abwechselnd im Strahl
(”push-pull“ )
• Präzisionsmessungen an der
„Teraskala”: Higgs-Boson,
Top-Quark, Physik jenseits
des SM
•
25
SppbarS
Carlo Rubbia
Simon van der Meer
UA1-Detektor
•
•
•
•
Proton-Antiproton-Collider am CERN (Umbau des Super Proton
Synchrotron, SPS), 6,91 km Umfang
1981–1990, !s = 630 GeV
Detektoren: UA1, UA2
Entdeckung der W - und Z-Bosonen, Suche nach Top-Quark und
Physik jenseits des SM
26
HERA
•
•
•
e±p-Collider bei DESY, 6,34 km Umfang
1992–2007, e± mit E = 27,5 GeV, p mit E =
820–920 GeV. Detektoren: H1, ZEUS
(plus zwei Fixed-Target-Experimente:
HERMES, HERA-B)
Physikprogramm: Struktur des Protons,
QCD, Suche nach Physik jenseits des SM
•
•
•
•
•
•
•
Proton-Antiproton-Collider bei Fermilab, 6,28
km Umfang
Run 0 (1988–1989): !s = 1800 GeV
Run I (1992–1995): !s = 1800 GeV
Run II (2001–2010(?)): !s = 1960 GeV
Detektoren: CDF, DØ
Physikprogramm: Top-Quark, B-Physik, HiggsBoson, Suche nach Physik jenseits des SM
Derzeit höchste erreichbare Energien
27
Tevatron
Tevatron
2 km
28
Large Hadron Collider
•
•
•
•
•
Proton-Proton-Collider im LEPTunnel, 26,659 km Umfang
Offizielle Inbetriebnahme:
10. September 2008
Erste Kollisionen: Herbst 2009
(!s = 900 GeV, 10 TeV)
Endausbau: !s = 14 TeV
Physikprogramm: Higgs-Boson,
Suche nach Physik jenseits
des SM
ALICE-Experiment:
Schwerionenphysik
CMS-Experiment:
Vielzweckexperiment
LHCb-Experiment:
B-Physik und CP-Verletzung
ATLAS-Experiment:
Vielzweckexperiment
29
Neutrinostrahlen
NuMi/MINOS
CERN Neutrinos to Gran Sasso
30
4. Vorlesung
SU(3)
Strukturkonstanten: alle fabc = 0 außer:
f
123
= 1,
f
147
=f
246
=f
257
=f
345
=f
516
=f
637
1
= ,
2
f
458
=f
678
=
√
3
2
Gell-Mann-Matrizen: Ta = 1/2 &a

0
1

λ = 1
0

0
4
λ = 0
1

0
7
λ = 0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
i





0
0 −i 0
1 0 0
0 , λ2 =  i 0 0 , λ3 = 0 −1 0 ,
0
0 0 0
0 0 0





1
0 0 −i
0 0 0
0  , λ 5 = 0 0 0  , λ 6 = 0 0 1  ,
0
i 0 0
0 1 0



1 0 0
0
1
8
−i , λ = √ 0 1 0
3 0 0 2
0
32
QCD-Wechselwirkungen
Lagrangedichte:
1 a a,µν
LQCD = ψ̄(i∂/ − m)ψ − q ψ̄γ µ T a ψAaµ − Fµν
F
4
% Wechselwirkungen:
∼ ψ̄γ µ T a ψAaµ
∼ A3
∼ A4
33
!4-Potenzial
λ
V = µ φφ + (φφ∗ )2
2
2
µ2 > 0
∗
µ2 < 0
34
Geladene Ströme
LCC
"
g !
= − √ Jµ+CC W µ,− + Jµ−CC W µ,+
2
#$
%
$
&
%
1
1
g
µ,−
µ,+
ν̄e γµ (1 − γ5 ) e W
+ ēγµ (1 − γ5 ) νe W
.
= −√
2
2
2
e+
e−
W+
W−
ν̄e
νe
5. Vorlesung
35
Die Gargamelle-Blasenkammer
[CERN]
37
Neutrino-Elektron-Streuung
Geladener Strom
νµ
Neutraler Strom
µ−
(–)
νe
Signatur: Myon im Endzustand
e−
e−
Signatur: elektromagnetischer
Schauer durch Elektron
Geladener Strom
νµ
Z
W
e−
(–)
νµ
38
Neutraler Strom in Gargamelle
[F. J. Hasert et al., Phys. Lett. B46 (1973), 121]
39
Z-Entdeckung bei UA1 und UA2
p
e+, µ+
u, d
ū, d¯
p̄
[http://cdsweb.cern.ch]
Z
e− , µ−
40
Z-Entdeckung bei UA1 und UA2
Identifikation über
invariante Masse
eines Leptonpaares:
m2Z = m2!+ !− = (p!+ + p!− )2
[G. Arnison et al., Phys.
Lett. B126 (1983), 398]
41
e+e–-Streuung
f¯
e−
f¯
e−
γ
e+
√
Z
f
s " mZ
e+
√
f
s ≈ mZ
42
Teilchendetektor (schematisch)
Spurdetektor
(„Tracking”)
Kalorimeter
elektromagnetisch
Myondetektor
hadronisch
Photon
Elektron/Positron
Myon
Neutrino
Neutron
Pion, Proton
„Innen”
„Außen”
43
Der OPAL-Detektor bei LEP
Hadron calorimeters
and return yoke
Electromagnetic
calorimeters
Muon
detectors
Vertex
chamber
Microvertex
detector
y
!
z
Z chambers
"
x
Presampler
Forward
detector
Silicon tungsten
luminometer
[http://opal.web.cern.ch/Opal/]
Jet
chamber
Solenoid and
pressure vessel
Time of flight
detector
44
Beispiele Strahlungskorrekturen
f¯
e−
f¯
f¯
e+
f
e+
f
f
e−
q̄
e−
q̄
q
e+
q
e−
γ/Z
γ/Z
e+
45
Vorhersage Top-Quark-Masse
Mt [GeV]
200
Tevatron (März 2009):
mt = 173,1 ± 1,3 GeV
arXiv:0903.2503 [hep-ex]
150
Tevatron
SM constraint
68% CL
100
[ALEPH, DELPHI, L3, OPAL, SLD,
Phys. Rept. 427 (2006), 257]
Direct search lower limit (95% CL)
50
1990
1995
2000
2005
Year
46
σhad [nb]
Z-Resonanz: "had
σ
0
40
ALEPH
DELPHI
L3
OPAL
30
ΓZ
20
measurements (error bars
increased by factor 10)
10
σ from fit
QED corrected
MZ
86
88
90
92
94
Ecm [GeV]
[ALEPH, DELPHI, L3, OPAL, SLD, Phys. Rept. 427 (2006), 257]
47
LEP-I: Z # $+ $–
Run : even t 4093 : 4556 Da t e 930527 T ime 22439 C t r k (N= 2 Sump= 86 . 8 ) Eca l (N= 5 SumE= 1 . 6 ) Hca l (N= 4 SumE=
Ebeam 45 . 658 Ev i s 90 . 8 Emi s s
0 . 6 V t x ( - 0 . 05 ,
0 . 08 ,
0 . 36 ) Muon (N= 2 ) Sec V t x (N= 0 ) Fde t (N= 0 SumE=
Bz=4 . 350 Th r us t =0 . 9999 Ap l an=0 . 0000 Ob l a t =0 . 0110 Sphe r =0 . 0003
4.0)
0.0)
Y
Z
X
200 . cm.
Cen t r e o f s c r een i s (
0 . 0000 ,
0 . 0000 ,
5 10
20
50 GeV
0 . 0000 )
[http://opal.web.cern.ch/Opal/events/opalpics.html]
48
LEP-I: Z # e+ e–
Run : even t 4093 : 1150 Da t e 930527 T ime 20751 C t r k (N= 2 Sump= 92 . 4 ) Eca l (N= 9 SumE= 90 . 5 ) Hca l (N= 0 SumE=
Ebeam 45 . 658 Ev i s 94 . 4 Emi s s - 3 . 1 V t x ( - 0 . 05 ,
0 . 08 ,
0 . 36 ) Muon (N= 0 ) Sec V t x (N= 0 ) Fde t (N= 1 SumE=
0.0)
0.0)
Y
X
Z
200 . cm.
0 . 0000 ,
0 . 0000 ,
5 10
20
50 GeV
0 . 0000 )
49
LEP-I: Z # qq
Run : even t 4093 : 1000 Da t e 930527 T ime 20716 C t r k (N= 39 Sump= 73 . 3 ) Eca l (N= 25 SumE= 32 . 6 ) Hca l (N=22 SumE= 22 . 6 )
Ebeam 45 . 658 Ev i s 99 . 9 Emi s s - 8 . 6 V t x ( - 0 . 07 ,
0 . 06 , - 0 . 80 ) Muon (N= 0 ) Sec V t x (N= 3 ) Fde t (N= 0 SumE= 0 . 0 )
Y
Z
X
200 . cm.
0 . 0000 ,
0 . 0000 ,
5 10
20
50 GeV
0 . 0000 )
50
LEP-I: Z # qqg
Run : even t 2542 : 63750 Da t e 911014 T ime 35925 C t r k (N= 28 Sump= 42 . 1 ) Eca l (N= 42 SumE= 59 . 8 ) Hca l (N= 8 SumE= 12 . 7 )
Ebeam 45 . 609 Ev i s 86 . 2 Emi s s
5 . 0 V t x ( - 0 . 05 ,
0 . 12 , - 0 . 90 ) Muon (N= 1 ) Sec V t x (N= 0 ) Fde t (N= 2 SumE= 0 . 0 )
Y
Z
X
200 . cm.
0 . 0000 ,
0 . 0000 ,
5 10
20
50 GeV
0 . 0000 )
6. Vorlesung
51
σhad [nb]
Zahl der leichten Neutrinos
2ν
30
20
3ν
ALEPH
DELPHI
L3
OPAL
4ν
average measurements,
error bars increased
by factor 10
10
0
86
88
90
92
94
Ecm [GeV]
[ALEPH, DELPHI, L3, OPAL, SLD, Phys. Rept. 427 (2006), 257]
53
54
"
G2F s ! e 2
e
e 2
(gV ) + gVe gA
+ (gA
)
3π
"
G2 s !
e
e 2
+ (gA
)
σ = F (gVe )2 − gVe gA
3π
"
G2F s ! e
e
e
σ=
(gV + 1)2 + (gVe + 1)(gA
+ 1) + (gA
+ 1)2
3π
"
G2 s !
e
e
+ 1 + (gA
+ 1)2
σ = F (gVe + 1)2 − (gVe + 1)(gA
3π
νµ e− → νµ e− :
σ=
ν̄µ e− → ν̄µ e− :
νe e− → νe e− :
ν̄e e− → ν̄e e− :
Beispiel: 'e e– % 'e e–
νe
νe
γµ (1 − γ5)
νe
γµ (1 − γ5)
Z
e−
e−
W
γµ (gVe − gAe γ5)
e−
νe
γµ (1 − γ5)
e−
55
gV und gA vor LEP
2002
1.0
-0.032
1987
-0.035
–ν µe
gVl
mH
mt
-0.038
0.5
∆α
+−
ll
+ −
ee
+ −
µµ
+ −
ττ
-0.041
-0.506
68% CL
-0.503
-0.5
-0.497
gAl
e+ e - →
µ+ µ -
gV 0.0
-0.5
–ν e e
νµ e-
–ν e e
-1.0
-1.0
-0.5
νe e 0.0
0.5
1.0
gA
56
gV und gA nach LEP
-0.032
mt= 178.0 ± 4.3 GeV
mH= 114...1000 GeV
-0.035
gVl
mH
-0.038
mt
∆α
+−
ll
+ −
ee
+ −
µµ
+ −
ττ
-0.041
-0.503
68% CL
-0.502
-0.501
-0.5
gAl
57
Übersicht: Asymmetrien
f
f
!
e–
e+
e–
!
!
AFB :=
e+
Pf (cos θ) :=
e+
ALR :=
„Rückwärts” !
„Vorwärts”
"–
"–
!
e–
σF − σB
σF + σB
e+
e+
e–
„linkshändiges Tau”
e+
„linkshändiges Elektron”
σr − σl
σr + σl
"+
„rechtshändiges Tau”
"+
e–
!
e–
„rechtshändiges Elektron”
1 σL − σR
!Pe " σL + σR
58
Winkelverteilungen: LEP & SLC
SLD e+e-!e+e- 97-98
events
2000
1500
left polarised e- beam
right polarised e- beam
1000
500
events
0
600
SLD Z0!!+!- 97-98
400
200
0
0
+ -
SLD Z !" " 97-98
events
400
200
0
–0.8
–0.4
0
0.4
0.8
cos #
59
Events/0.05
Events/0.025
Tau-Polarisation in e+e– # %+%–
OPAL
1200
Data
2
χ /dof= 39.3/ 42
Fit
τ Bkg
1000
DELPHI
τ → µνν
Non-τ Bkg
Pos. Helicity τ
800
2000
Neg. Helicity τ
1500
600
1000
400
500
200
0
0
0
0.2
0.4
0.6
τ→πν
0.8
1
0
0.2
0.4
pπ / Ebeam
0.6
0.8
1
P/Pbeam
60
Af
Schwacher Mischungswinkel
1
Ab
0.5
0
Al
-0.5
-1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
sin2 !W
61
B-Tagging mit Sekundärvertex
Run : even t 2419 : 67143 Da t e 910723 T ime 112832 C t r k (N= 26 Sump= 47 . 4 ) Eca l (N= 50 SumE= 73 . 1 ) Hca l (N=13 SumE=
Ebeam 45 . 623 Ev i s 89 . 3 Emi s s
2 . 0 V t x ( - 0 . 10 ,
0 . 16 , - 0 . 10 ) Muon (N= 0 ) Sec V t x (N= 3 ) Fde t (N= 0 SumE=
Y
Z
Run : even t 2419 : 67143 Da t e 910723 T ime 112832 C t r k (N= 26 Sump= 47 . 4 ) Eca l (N= 50 SumE= 73 . 1 ) Hca l (N=13 SumE=
Ebeam 45 . 623 Ev i s 89 . 3 Emi s s
2 . 0 V t x ( - 0 . 10 ,
0 . 16 , - 0 . 10 ) Muon (N= 0 ) Sec V t x (N= 3 ) Fde t (N= 0 SumE=
7.6)
0.0)
Y
X
Z
200 . cm.
7.6)
0.0)
0 . 0000 ,
0 . 0000 ,
0 . 0000 )
200 cm
5 10
20
X
2 . cm.
50 GeV
0 . 0000 ,
0 . 0000 ,
0 . 0000 )
2 cm
62
0,l
Afb
0.23099 ± 0.00053
Al(Pτ)
0.23159 ± 0.00041
Al(SLD)
0.23098 ± 0.00026
0,b
Afb
0.23221 ± 0.00029
0,c
Afb
had
Qfb
0.23220 ± 0.00081
0.2324 ± 0.0012
Average
0.23153 ± 0.00016
2
χ /d.o.f.: 11.8 / 5
3
mH [GeV]
10
2
10
0.23
∆α(5)
had= 0.02758 ± 0.00035
mt= 178.0 ± 4.3 GeV
0.232
lept
sin2θeff
0.234
Measurement
(5)
Fit
#$had(mZ)
0.02758 ± 0.00035 0.02767
mZ [GeV]
91.1875 ± 0.0021
91.1874
%Z [GeV]
2.4952 ± 0.0023
2.4959
41.540 ± 0.037
41.478
20.767 ± 0.025
20.742
0
"had
[nb]
Rl
0,l
Afb
Al(P&)
Rb
|O
0
meas
fit
!O |/"
1
2
63
meas
3
0.01714 ± 0.00095 0.01643
0.1465 ± 0.0032
0.1480
0.21629 ± 0.00066 0.21579
Rc
0,b
Afb
0,c
Afb
Ab
Ac
Al(SLD)
0.1721 ± 0.0030
0.1723
0.0992 ± 0.0016
0.1038
0.0707 ± 0.0035
0.0742
0.923 ± 0.020
0.935
0.670 ± 0.027
0.668
0.1513 ± 0.0021
0.1480
2 lept
sin 'eff (Qfb) 0.2324 ± 0.0012
0.2314
mW [GeV]
80.399 ± 0.025
80.378
%W [GeV]
2.098 ± 0.048
2.092
mt [GeV]
173.1 ± 1.3
173.2
March 2009
0
1
2
3
64
7. Vorlesung
Aktuelle Termine
29. Mai 2009: Abgabe des 4. Übungsblatts
Bis 15 Uhr
Entweder Postfach U. Husemann (NEW 15 2'413) oder…
… Kasten vor Sekretariat EEP (NEW 15 2'415)
1. Juni 2009: keine Vorlesung (Pfingsten)
3. Juni 2009: Ausgabe des 5. Übungsblatts in Übung
66
W-Produktion in p-pbar-Kollisionen
p
ν̄" , "+
u, d
W±
¯ ū
d,
"− , ν"
p̄
67
Jacobi-Kante in mT
20
15
Idealisiert:
µ=mT/mW
10
5
10000
1 − µ2
0.5
1
µ
D0 Preliminary, 1 fb-1
DATA
FAST MC
W->τν
Z->ee
QCD
7500
Messung
5000
Fit Region
χ2/dof = 48/49
2500
0
50
60
70
80
90
χ
4
Exp. Elementarteilchenphysik
(P23.1.1), HU Berlin, Sommersemester 2009
D0 Preliminary, 1 fb-1
2
0
100
mT, GeV
[DØ Note 5893-CONF]
Events/0.5 GeV
0
0
µ
!
68
Resultate: W-Masse (März ’09)
CDF Run 0/I
80.436 ± 0.081
D0 Run I
80.478 ± 0.083
CDF Run II
80.413 ± 0.048
Tevatron Run-0/I/II
80.432 ± 0.039
LEP2 average
80.376 ± 0.033
World average (prel.)
80.399 ± 0.025
D0 Run II
80.401 ± 0.043
80
(prel.)
80.2
80.4
mW (GeV)
80.6
[DØ Note 5893-CONF]
69
WW-Produktion bei LEP-II
f¯"
02/03/2001
LEP
Preliminary
20
e−
e−
W
σWW [pb]
f
f¯"""
Z/γ
15
W
e+
f ""
10
f¯"
RacoonWW / YFSWW 1.14
W
no ZWW vertex (Gentle 2.1)
f
only νe exchange (Gentle 2.1)
−
e
5
f
νe
f¯"""
W
e
160
W−
e−
f¯"""
Z/γ
+
0
f¯"
170
180
Ecm [GeV]
190
200
210
f ""
e+
W+
f ""
70
e+
Klassifikation: W-Kopplungen
ν!
!
ν̄µ
ν̄!!
d
ū
W−
W−
!!
(a)
leptonisch
u
u
d
d
d
u
µ−
(b)
semileptonisch
t
b
d¯
W+
ν̄e
u
W−
e−
semileptonisch
(c)
hadronisch
(d)
71
CKM-Matrix
Geladener schwacher Strom:
Jµ+CC
 
d
1
= (ū, c̄, t̄) γµ (1 − γ5 ) VCKM s
2
b
mit VCKM

Vud
=  Vcd
Vtd
Vus
Vcs
Vts

Vub
Vcb  ,
Vtb
V †V = V V † = 1
Zahl der Freiheitsgrade der CKM-Matrix:
3 × 3-Matrix
Beträge Phasen
Gesamt
9
−Quark-Phasen
−reelle Gleichungen
−komplexe Gleichungen
3
3
Resultat
3
9
N × N -Matrix
Beträge
Phasen
N2
5
3
1
N
N (N − 1)/2
N (N − 1)/2
N2
2N − 1
N (N − 1)/2
(N − 1)(N − 2)/2
72
CP-Verletzung
a
c
Vca
ā
W
Vbd∗
b
c̄
Vca∗
W
d
b̄
Vbd
d¯
(b)
!
"!
"
1
1
∗
¯ µ (1 − γ5 )b
A(ab → cd) ∼ Vca Vbd
c̄γµ (1 − γ5 )a dγ
2
2
"!
"
!
1
1
¯ ∼ V ∗ Vbd āγµ (1 − γ5 )c b̄γ µ (1 − γ5 )d = A†
A(āb̄ → c̄d)
ca
2
2
!
"!
"
1
1
∗
ACP ∼ Vca Vbd
āγµ (1 − γ5 )c b̄γ µ (1 − γ5 )d $= A†
2
2
(a)
73
Wolfenstein-Parametrisierung
Entwicklung der CKM-Matrix in Cabibbo-Winkel
& := sin (C " 0,22
3 + 1 Parameter: &, A, ), *
VCKM

1 − λ2 /2
λ
−λ
1 − λ2 /2
=
Aλ3 (1 − " − iη)
−Aλ2

Aλ3 (" − iη)

Aλ2
1
74
8. Vorlesung
CKM-Matrix
CKM-Matrix:
VCKM

Vud
=  Vcd
Vtd
Vus
Vcs
Vts

Vub
Vcb  ,
Vtb
V †V = V V † = 1
Wolfenstein-Parametrisierung:

1 − λ2 /2
λ
−λ
1 − λ2 /2
VCKM = 
Aλ3 (1 − " − iη)
−Aλ2

Aλ3 (" − iη)

Aλ2
1
76
Unitaritätsdreieck
∗
Vud Vub
+ Vcd Vcb∗ + Vtd Vtb∗
= 0
∗
Vud Vub
Vcd Vcb∗
Vtd Vtb∗
+
+
Vcd Vcb∗
Vcd Vcb∗
Vcd Vcb∗
= 0
(!, η)
α = φ2
!
!
!
!
! Vud V ∗ !
ub !
!
!
!
∗
! Vcd V !
!
!
!
!
! Vtd V ∗ !
tb !
!
!
!
! Vcd V ∗ !
cb
cb
γ = φ3
β = φ1
(0, 0)
(1, 0)
77
Messung des Unitaritätsdreiecks
exc
!"$
da
lude
excluded area has CL > 0.95
t CL
!
>0
#md & #ms
.95
!"#
sin 2%
#"$
#md
'
$K
!
%
"
Vub
"
!#"$
!!"#
$K
CKM
!
&'(')')'*'+
Moriond 09
!!"$
!!"#
!#"$
#"#
sol. w/ cos 2% < 0
(excl. at CL > 0.95)
#"$
!"#
!"$
&
%"#
[http://ckmfitter.in2p3.fr]
#"#
"
78
Formfaktoren
Semileptonischer Kaon-Zerfall
u
u
s̄
ū
!+
u
u
s̄
ū
ν!
!+
idealisiert
ν!
!
Pion-Zerfall
ν̄µ
ν̄!!
d
ū
W−
!
(a)
u
d
d
ν!
real
!
W−
µ−
!0|Jπµ |π" = fπ(b)Pπµ
u
(P23.1.1), HU Berlin, Sommersemester 2009
t
b
d
d¯
u
W+
ν̄e
u
W−
e−
(c)
CKM-Matrixelemente
(d)
νµ
d¯
s
Vus
µ−
d¯
W+
u
W−
W−
µ−
(a)
c
W+
(c)
ν̄µ
Vcd
p, n
"
Vcd∗ , Vcs∗
q
c
d
ν̄"
ū
79
(b)
ū
c
d, s
ν̄"
"
"+
Vcs∗
s̄
W+
ν"
(d)
80
we’re aiming for 4%!?
|Vub| und |Vcb|
81
|Vtd|, |Vts|, |Vtb|
p
q
p
q!
t̄
u, d
W
q
g
t
Vtb∗
ū, d¯
t
p̄
p̄
Top-Antitop-Produktion in QCD
q̄
Elektroschwache Produktion
einzelner Top-Quarks
q
t
Vtq∗
W+
Top-Quark-Zerfall
82
Vtb goes Hollywood
The Big Bang Theory
Mondays at 8:00pm ET on CBS.
http://www.cbs.com/primetime/big_bang_theory/
9. Vorlesung
83
b̄
s̄
t̄, c̄, ū
b̄
W
s̄
+
bbildung 4.14: Boxdiagramme zur Flavor-Oszillation im Standardmodell am Beispiel der B0s
0
Bs -Oszillationen. Die stärkste Kopplung in der Box ist die an das Top-Quark
Flavor-Oszillationen
(Details
zum Formalismus:
U. insbesondere
Nierste, Three Lectures
on Meson
der Flavor-Mischung
bezeichnet.
Er tritt
im System
der neutralen K- und
Mixing and CKM Phenomenology, arXiv:0904.1869 [hep-ph])
−Mesonen auf:
|K 0 " = |s̄d"
↔
0
¯ ,
|K " = |sd"
|B0s " = |b̄s"
↔
|Bs " = |sb̄" .
|B0d " = |b̄d"
↔
(4.34
0
(4.35
0
(4.36
|Bd " = |d b̄" ,
t, c, u
m SM werden Flavor-Oszillation
in führender
Ordnung
durch
die in Abb.
4.14 gezeig
W
s
s
b
b
n Boxdiagramme“ hervorgerufen. Die Zeitentwicklung
eines t,Zustandes
|P" ist dann
t, c, u
c, u
W
W
”
m allgemeinen
s̄
s̄
b̄
b̄
t̄, c̄, ū|P(t)" = a(t) |P" + b(t) |P" . W
(4.37
−
+
x (m)
85
hänomenologisch
kann man die Zeitentwicklung dieser Oszillation und
des gleichzei
gen Zerfalls der Mesonen mit sehr guter Genauigkeit mit der Schrödingergleichung
schreiben. Anstelle des hermiteschen Hamiltonoperators eines Quantensystem setz
an einen effektiven Hamiltonoperator“ Σ , eine Kombination aus einem hermiteschen
”
rm für die starke Wechselwirkung und einem antihermiteschen Term für die schwa
KTeV-Experiment
en Wechselwirkung:
!
"
!
"
!
"
Trigger
Muon
ΓDrift
d |P(t)"
|P(t)"
M11 −Hodoscope
iΓ11 /2 MVeto
12 − iΓ12 /2
=Σ
mit Σ = M − iChambers
=
,
i
∗ − iΓ ∗ CA
M12
/2
M
−
i
Γ
/2
|P(t)"Regenerator
dt |P(t)"
2
22
22
12 CsI
(4.38
1
obei M die Matrix der Massen und Γ die
Matrix der Zerfallsbreiten ist. Das CPT
0
Regenerator Beam K S%##
heorem besagt, 0dass Teilchen Vacuum
undBeam
ihre KAntiteilchen
dieseben Massen und Zerfalls
0 %##
L
Beams
eiten haben, daher gilt M11 = M22 := M und Γ11 = Γ22 := Γ . Durch Diagonalisierung
-1
geben sich Eigenvektoren
mit wohldefinierten Massen und Zerfallsbreiten. Man unter
Mask Anti
Photon
ilt jetzt den leichten Masseneigenzustand
|PL " und den
schweren
Masseneigenzustand
Vetoes
Photon Vetoes
Analysis
Magnet
Steel
H " mit dem Ansatz
120
140
160
z (m) = distance from kaon production target
|PL " = p |P" + q |P" ,
180
|PH " = p |P" − q |P"
(4.39
[A. Alavi-Harati et al., Phys. Rev. D67 (2003), 012005]
ie Eigenzustände
von Σ ergeben (P23.1.1),
sich durch
HU Berlin,Diagonalisierung:
Sommersemester 2009
P-Verletzung im System neutraler B-Mesonen
86
Übergangswahrscheinlichkeit
Bs-Oszillationen
1
|g–(t)|2
|g+(t)|2
0.5
0
0
0.5
1
1.5
2
t [ps]
87
Bs-Oszillationen am Tevatron
opposite side
signal side
3 Messungen:
1. Zerfallslänge
2. Bs-Flavor bei Produktion
3. Bs-Flavor bei Zerfall
+
B 0s
K
b hadron
PV
Flavor-Tagging: zweites BHadron “kennt” Flavor des Bs
% Bs-Flavor bei Produktion
K
L xy
m
ct = L xy p TB
+
Ds
[S. Hansmann-Menzemer, DESY-Seminar, June 2006]
88
Amplitude
Bs-Oszillationen: Resultat
2
L = 1.0 fb-1
CDF Run II Preliminary
data ± 1 σ
1.645 σ
1.5
95% CL limit
sensitivity
-1
17.2 ps
-1
31.3 ps
data ± 1.645 σ
1
data ± 1.645 σ (stat. only)
0.5
0
[A. Heijboer]
-0.5
-1
-1.5
-2
0
5
10
15
20
25
30
35
-1
∆ms [ps ]
[A. Abulencia et al.,
Phys. Rev. Lett. 97 (2006), 242003]
89
Klassifikation: CP-Verletzung
Indirekt
(in Mischung)
Direkt
(im Zerfall)
|q/p|
P〉
P〉
!
!〉
Af
Interferenz
(Mischung/Zerfall)
f
P〉
#
|q/p|
!
!〉
|p/q|
"#
(a)
(b)
Af
!〉
fCP
"f
(c)
90
Pinguin-Diagramme
W+
¯ s̄
d,
ū, c̄, t̄
b̄
g
d
d
John Ellis
Melissa Franklin
91
Goldener Zerfall: B # J/& KS
Zerfall
Vcb∗
b̄
c̄
c
Bd0
Vcs
J/ψ
d
K
c
c̄
B̄d0
s̄
d
Vcb
b
Vcs∗
0
J/ψ
s
d¯
d¯
K̄0
Oszillation
t, c, u
d
b
W
b̄
t, c, u
W
t̄, c̄, ū
W−
d
d¯
b̄
b
t, c, u
W+
d¯
92
Messung des Unitaritätsdreiecks
exc
!"$
da
lude
excluded area has CL > 0.95
t CL
!
>0
#md & #ms
.95
!"#
sin 2%
#"$
#md
'
$K
"
!
%
"
Vub
"
!#"$
!!"#
$K
CKM
!
&'(')')'*'+
Moriond 09
!!"$
!!"#
!#"$
#"#
sol. w/ cos 2% < 0
(excl. at CL > 0.95)
#"$
!"#
!"$
&
%"#
[http://ckmfitter.in2p3.fr]
#"#
10. Vorlesung
93
Zahl der Farbladungen
10
2
R(s) :=
ω
ρ
Sum of exclusive
measurements
Inclusive
measurements
-1
10
0.5
1
1.5
2
2.5
3
7
qq2
ψ(2S)
J/ψ
R
5
4
Pionzerfall:
c
ψ 4160
Mark-I
Mark-I + LGW
Mark-II
PLUTO
DASP
Crystal Ball
BES
6
q
ψ 3770
ψ 4415
ψ 4040
3
2
γ
q̄
π
ρ!
1
% im naiven Partonmodell:
R = Nc
3 loop pQCD
Naive quark model
10
σ(e+ e− → Hadronen)(s)
σ(e+ e− → µ+ µ− )(s)
!
u, d, s
φ
Verhältnis R:
3
3.5
4
4.5
8
0
Υ(1S)
q
b
Υ(3S)
Υ(2S)
7
5
Υ(4S)
6
γ
5
"
α2 m3π0 2 ! 2
2 2
N
q
+
q
Γ(π 0 → γγ) =
c
u
d
64π 3 fπ2
4
3
MD-1
2
ARGUS
CLEO
CUSB
DHHM
Crystal Ball
CLEO II
DASP
LENA
9.5
10
√
10.5
s [GeV]
11
[PDG]
95
Laufende QCD-Kopplung
Abschirmung einer Ladung in der QED:
+
+
+
−
−
+
−
+
−
−
+
−
−
−
+
+
+
Abschirmung und Antiabschirmung in der QCD:
(a)
Fermionschleife: Abschirmung
(b)
Gluonschleife: Abschirmung
96
Laufende QCD-Kopplung
Experimentell:
!S
QCD-Vorhersage:
4 Schleifen
1 Schleife
0.3
0.2
0.1
1
10
10 2
Q [GeV]
1-Schleifen-Näherung:
1
αS (Q2 ) =
2
β0 ln Q
Λ2
12π
=
2
(−2Nf + 33) ln Q
Λ2
[S. Bethke, Prog. Part. Nucl.
Phys. 58 (2007), 351]
97
NC und CC bei HERA
[DESY]
98
i
60
1/
1/
[D. I. Kazakov, hep-ph/0012288]
i
Vereinheitlichung der Kräfte
60
50
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
5
10
0
15
1/
1
MSSM
1/
2
1/
3
0
5
10
10
log Q/GeV
α1 :=
5 g !2
5
α
=
,
2
3 4π
3 cos θW
α2 :=
15
10
log Q/GeV
g2
α
=
,
2
4π
sin θW
α3 :=
gS2
= αS
4π
99
Tiefinelastische Streuung
Kinematik:
e(k ")
"
e(k )
e(k)
q = (k − k ")
θ
e(k)
X
N
xp
N (p)
(b)
(a)
Q2 := −q 2 = −(k − k ! )2
p·q
ν :=
mN
p·q
p·k
Q2
Q2
:=
=
2mN ν
2pq
y :=
xBj
100
H1-Ereignis: DIS NC
(
Elektron
Proton
[http://www-h1.desy.de]
101
(a)
F2(x)
Proton-Strukturfunktion F2
Drei Valenzquarks
Drei Valenzquarks
mit Bindung und
Gluonabstrahlung
(c)
1/3
x
1/3
x
F2(x)
(b)
x
F2(x)
Drei Valenzquarks
mit Bindung
1/3
102
11. Vorlesung
QCD-Korrekturen in DIS
2
1
x F2
2
+
=
+...
+
DGLAP-Evolutionsgleichungen:
dq(x, Q2 )
d ln Q2
αS (Q2 )
2π
=
!1
x
dx!
x!
"
#
q(x! , Q2 )Pqq (x/x! ) + g(x! , Q2 )Pqg (x/x! )
zp
p
(1 − z)p
p
zp
(1 − z)p
dg(x, Q2 )
d ln Q2
2
αS (Q
2π
=
1
) !
x
!
dx
x!
$
%&
'
q(x! , Q2 ) + q̄(x! , Q2 ) Pgq (x/x! )
q
(1 − z)p
p
zp
#
+g(x! , Q2 )Pgg (x/x! )
(1 − z)p
p
zp
104
Messungen von F2
April 2009
HERA I NC e+p (prel.)
x = 0.00005, i=21
x = 0.00008, i=20
Fixed Target
x = 0.00013, i=19
HERAPDF0.2 (prel.)
x = 0.00020, i=18
(exp. uncert.)
x = 0.00032, i=17
x = 0.0005, i=16
x = 0.0008, i=15
x = 0.0013, i=14
x = 0.0020, i=13
x = 0.0032, i=12
x = 0.005, i=11
x = 0.008, i=10
x = 0.013, i=9
x = 0.02, i=8
10 6
10 5
Skalenverletzung
10 4
10 3
10 2
HERA Structure Functions Working Group
!r(x,Q2) x 2i
H1 and ZEUS Combined PDF Fit
10 7
x = 0.032, i=7
x = 0.05, i=6
x = 0.08, i=5
10
x = 0.13, i=4
x = 0.18, i=3
1
10
10
10
x = 0.25, i=2
-1
x = 0.40, i=1
-2
x = 0.65, i=0
-3
1
10
10
2
10
3
10
4
10
Bjorken-Skalenverhalten
[H1/ZEUS,
H1prelim-09-045,
ZEUS-prel-09-011]
5
Q2/ GeV2
105
1
Q2 = 10 GeV2
Gluonen
0.8
xg (× 0.05)
HERAPDF0.2(prel.)
xf
xf
Partonverteilungen
Valenzquarks
1
Q2 = 10 GeV2
0.8
xg (× 0.05)
(exp+model+param)
0.6
(exp+model+param)
0.6
CTEQ6.6 90% CL
xuv
0.4
HERAPDF0.2(prel.)
MSTW08 90% CL
xuv
0.4
xS (× 0.05)
xS (× 0.05)
xdv
0.2
xdv
0.2
Seequarks
0 -4
10
10-3
10-2
10-1
1
0 -4
10
10-3
10-2
10-1
1
x
x
[H1/ZEUS, H1prelim-09-045, ZEUS-prel-09-011]
106
QCD-Faktorisierung
"
...
f (xi, Q2i )
Jet
σ̂
...
Jet
!
dσ
=
dX
j,k
"
dX̂
fj (x1 , Q2i ) fk (x2 , Q2i )
dσ̂f i (Q2i , Q2f )
dX̂
F (X̂ → X; Q2i , Q2f )
107
Jet-Algorithmen
∆ij =
!
(yi − yj )2 + (φi − φj )2 < R
Kegelalgorithmus (R=1)
Rekombinationsalgorithmus (R=1)
[M. Cacciari, G. P. Salam, G. Soyez, JHEP 04 (2008) 063]
108
Streuung longitudinaler W+W–
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Higgs-Selbstkopplung
H
H
H
H
H
H
t
t
λ
t
λ
λ
nicht erlaubt
t
H
H
H
H
H
H
t
(a)
H
H
H
H
(b)
H
(c)
erlaubt
t
λ
t
λ
λ
nicht erlaubt
t
H
H
H
H
(b)
(c)
109
Blue-Band-Plot
6
mLimit = 163 GeV
March 2009
Theory uncertainty
∆α(5)
had =
5
0.02758±0.00035
0.02749±0.00012
4
∆χ2
H
[T. Hambye, K. Riesselmann,
Phys. Rev. D55 (1997), 7255]
)
Higgs-Massenschranken
incl. low Q2 data
mH = 90+36
−27 GeV
3
mH < 163 GeV
2
(95% C.L.)
1
0
Excluded
30
Preliminary
100
300
mH [GeV]
[http://lepewwg.web.cern.ch/LEPEWWG/]
110
Higgs-Produktion: Tevatron
Gluon-Gluon-Fusion
g
SM Higgs production
H
g
10 3
t
Assoziierte Produktion
! [fb]
q
qq ! Wh
H
10 2
W/Z
q̄
qq ! qqh
W/Z
g
bb ! h
10
t̄
qq ! Zh
H
g
TeV II
gg ! h
gg,qq ! tth
TeV4LHC Higgs working group
t
1
Vektorboson-Fusion
100
q
120
140
160
180
q
mh [GeV]
[http://maltoni.home.cern.ch/maltoni/TeV4LHC/index.html ]
W/Z
H
W/Z
q
200
q
111
Higgs-Produktion: LHC
Gluon-Gluon-Fusion
g
g
SM Higgs production
10 5
H
t
LHC
! [fb]
gg ! h
q
H
10 4
qq ! qqh
W/Z
q̄
W/Z
10 3
qq ! Wh
g
bb ! h
t̄
H
g
qb ! qth
TeV4LHC Higgs working group
t
100
Vektorboson-Fusion
q
200
qq ! Zh
300
W/Z
H
400
500
mh [GeV]
q
W/Z
q
gg,qq ! tth
10 2
[http://maltoni.home.cern.ch/maltoni/TeV4LHC/index.html ]
q
112
12. Vorlesung
Higgs-Zerfall
[PDG]
mH [GeV]
114
Higgs-Signaturen bei LEP
Produktion: Higgs-Strahlung
e−
H
Z
e+
Z
Zerfall: B-Jets sehr wichtig
Higgs-Zerfall
H
H
H
H
H
Z -Zerfall
→ bb̄
→ τ +τ −
→ bb̄
→ bb̄
→ bb̄
Z
Z
Z
Z
Z
Signatur
4
2
2
2
2
→ q q̄
→ q q̄
→ τ +τ −
→ ν ν̄
→ #+ #−
Jets, zwei davon mit B- Hadronen
Jets und 2 Tau-Leptonen
B-Jets und 2 Tau-Leptonen
B-Jets und fehlende Energie
B-Jets und zwei Leptonen
115
Higgs-Kandidat bei ALEPH
ALEPH
DALI_F1
ee % HZ % bbqq
ECM=206.7 Pch=83.0 Efl=194. Ewi=124. Eha=35.9 BEHOLD
Nch=28
EV1=0
EV2=0
EV3=0
ThT=0
5 Gev EC
5 Gev HC
Run=54698
Evt=4881
Detb= E3FFFF
00!06!14 2:32
(! !138)*SIN(
")
o
o
o
x
o
x
!
ox
o
!o
x
o
ooxox
oo
o
x
!
!
o
x
!
!
o
x
!oxo
o
0.6cm
o
o
!
!
!
o o
o
o
xx! x
o!
x
o x
x !
o
o
o!
o
0.3cm
RO TPC
!1cm
P>.50 Z0<10 D0<2
o
o
Y"
x
µ
F.C. imp.
0
1cm
X"
15 GeV
"=180
x
"=0
[http://cdsweb.cern.ch]
116
Higgs-Limits: Tevatron
95% CL Limit/SM
LEP Exclusion
Expected
Observed
±1! Expected
±2! Expected
10
1
Tevatron
Exclusion
SM
March 5, 2009
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
mH(GeV/c2)
117
Supersymmetrie
SUSY: Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen
[DESY]
118
[FERMILAB-PUB-09-060-E, arXiv:0903.4001 [hep-ex] ]
Tevatron Run II Preliminary, L=0.9-4.2 fb-1
Leichtestes MSSM-Higgs
tanβ
CP-erhaltendes MSSM-Szenario:
[PDG]
mh-max
10
Excluded
by LEP
1
Theoretically
Inaccessible
0
20
40
60
80
100 120 140
mh (GeV/c2)
119
PMNS-Matrix
Standard-Parametrisierung:
  
c12 c13 eiα1 /2
ν1
ν2  = −s12 c23 − c12 s23 s13 eiδ
ν3
s12 s23 − c12 c23 s13 eiδ
s12 c13
c12 c23 − s12 s23 s13 eiδ eiα2 /2
−c12 s23 − s12 c23 s13 eiδ
 
s13 e−iδ
νe


νµ 
s23 c13
ντ
c23 c13
mit cij = cos (ij, sij = sin (ij
Zusätzliche Phasen +1,2, falls Neutrinos MajoranaTeilchen
Phasen der PMNS-Matrix: Quellen von CP-Verletzung
im Neutrinosektor?
120
Dirac oder Majorana?
Ladungskonjugation C und CP-Operation bei Neutrinos:
νL
C
ν̄L
CP
νR
ν̄R
C
C
Majorana-Neutrinos: identifiziere νL ≡ νR ,
νR ≡ νLC
Dirac- und Majorana-Massen:
ML
mD
νL
νR
Dirac
(a)
νRC = ν̄R
νL
Majorana
(b)
(Leptonzahlverletzung!)
13. Vorlesung
121
Evidenz für Neutrinomassen
100
KARMEN2
CDHSW
CHORUS
NO
MA
Min
iBo
oN
(Masse)2
E
NOM
D
AD
!3
!µ
K2K
!"
CH
–3
10
OO
Z
RUS
SuperK 90/99% de
er
V
Palo
all solar 95%
Cl 95%
MINOS
KamLAND
95%
∆m2 [eV2]
!m2atm
CHO
LSND 90/99%
Bu
g
ey
!e ?
NOMAD
SNO
95%
10–6
Super-K
95%
Ga 95%
!2
!e
!1
!µ
!e
!"
!µ !"
10–9
!m2!
νe↔νX
νµ↔ντ
νe↔ντ
νe↔νµ
All limits are at 90%CL
unless otherwise noted
10–12 –4
10
„normale” Massenhierarchie
% invertiert?
10–2
tan2θ
100
http://hitoshi.berkeley.edu/neutrino
102
123
Tritium-Betazerfall
Energiespektrum der Elektronen:
Endpunkt des
Energiespektrums
beliebige Einheiten
beliebige Einheiten
Gesamtspektrum
(ohne Fermi-Funktion)
1
0.5
!10-6
mν = 0 eV
mν = 1 eV
0.15
0.1
0.05
0
0
5000
10000 15000
E e [eV]
0
18588
18590
E e [eV]
124
Tritium-Experimente
MAC-E-Prinzip: elektrostatischer Filter mit
magnetischer adiabatischer Kollimation
[J. Angrik et al.,
FZKA Scientific
Report 7090]
125
Ab 2012: KATRIN
Transport des KATRIN-Spektrometers
[http://www-ik.fzk.de/~katrin/]
:
126
0'((-Experimente
Germaniumkristall im
Heidelberg-Moskau-Experiment
0',,-Zerfall auf Quarkniveau
u
d
W−
e−
ν̄e
mν̄e
ν̄e
e−
W−
u
d
[http://www.klapdor-k.de/]
127
[http://www.expeditions.udel.edu/antarctica/ ]
Atmosphärische Neutrinos
Kosmische
Strahlung
Zenitwinkel
Detektor
!
Erde
(Radius: 6400 km)
Atmosphäre
128
Super-Kamiokande
[http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/]
129
Super-K: e- und $-Nachweis
Gestopptes Elektron:
elektromagnetischer Schauer
Gestopptes Myon:
klarer Cherenkov-Ring
[Y. Ashie et al., Phys. Rev. D71
(2005), 112005]
130
Super-K: Zenitwinkel-Analyse
300
Sub-GeV e-like
P < 400 MeV/c
200
200
100
100
0
-1
300
-0.5
0
0.5
1
Sub-GeV e-like
P > 400 MeV/c
0
-1
400
300
200
Sub-GeV µ-like
P < 400 MeV/c
-0.5
0
0.5
keine Oszillation
1
Oszillation
Sub-GeV µ-like
P > 400 MeV/c
200
100
0
-1
150
100
-0.5
0
0.5
1
0
-1
150
Multi-GeV e-like
100
100
50
50
0
-1
-0.5
0
0.5
cos!
1
0
-1
-0.5
0
0.5
1
Multi-GeV µ-like
-0.5
0
0.5
cos!
[Y. Ashie et al., Phys. Rev. D71
(2005), 112005]
1
131
Beschleuniger-': MINOS
MINOS Far Detector
CC:
NC:
150
νµ + Fe → µ− + X
νµ + Fe → ν µ + X
MINOS Far Detector
Far detector data
Events / GeV
Number of Events
300
100
No oscillations
Best oscillation fit
NC background
50
0
0
[http://www-numi.fnal.gov/]
5
10
15
20 30 50
Reconstructed neutrino energy (GeV)
[P. Adamson et al.,
Phys. Rev. Lett. 101 (2008)]
132
Sonnenneutrinos
Neutrinofluss im Standard-Sonnenmodell
Fusionsreaktionen in der Sonne
Name
Reaktion
Wasserstofffusion
Deuteriumfusion
1
2
pp-Reaktion I
3
pp-Reaktion II
3
H + 1 H → 2 H + e+ + νe
H + 1 H → 3 He + γ
He + 3 He → 4 He + 1 H + 1 H
He + 4 He → 7 Be + γ
Be + e− → 7 Li + νe
7
Li + 1 H → 4 He + 4 He
7
pp-Reaktion III
He + 4 He → 7 Be + γ
Be + 1 H → 8 B + γ
8
B → 8 Be + e+ + νe
8
Be → 4 He + 4 He
3
7
[http://www.sns.ias.edu/~jnb/
SNviewgraphs/snviewgraphs.html]
1
pep-Reaktion
hep-Reaktion
3
H + e− + 1 H → 2 H + νe
He + 1 H → 4 He + e+ + νe
133
φµτ (× 10 6 cm -2 s-1)
Sonnenneutrinos: SNO
BS05
φSSM 68% C.L.
6
NC
φµ τ 68%, 95%, 99% C.L.
5
4
3
SNO
2
φCC 68% C.L.
SNO
φNC 68% C.L.
SNO
1
φES 68% C.L.
SK
φES 68% C.L.
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
φe (× 106 cm-2 s-1)
[B. Aharmim et al., Phys. Rev.
C72 (2005), 055502]
CC:
ES:
[http://www.sno.phy.queensu.ca/]
NC:
νe + d → e− + p + p
ν + e− → ν + e−
ν+d→ν+p+n
134
Reaktorneutrinos: KamLAND
KamLAND: Flüssigszintillator
ν¯e + p → e+ + n
Data - BG - Geo !e
Expectation based on osci. parameters
determined by KamLAND
Survival Probability
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
20
30
40
50 60 70 80
L0/E! (km/MeV)
90
100
e
[S. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 100 (2008), 221803]
[http://kamland.lbl.gov/]
135
Neutrinophysik: Offene Fragen
Welche Masse haben Neutrinos?
Gibt es sterile Neutrinos?
Sind Neutrinos Majorana-Teilchen?
Ist der Mischungswinkel (13 ungleich Null?
Ist die Hierarchie der Neutrinomassen normal oder
invertiert?
136

EEP Folien.key

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Origin 9