Oddziaływania elektrosłabe

Transkrypt

1 Oddziaływania elektrosłabe X ODDZIAŁYWANIA ELEKTROSŁABE Fizyka elektrosłaba na LEPie Liczba pokoleń. Bardzo precyzyjne pomiary. Obserwacja przypadków. Uniwersalność leptonów. Mieszanie kwarków. Macierz CKM Testy Modelu Standardowego 1

2 Testy eksperymentalne - LEP zderzenia elektron-pozyton na LEPie ( ) Program fizyczny: - testy Modelu Standardowego w obszarze produkcji bozonu Z 0 : e + e Z 0 f ҧ f - produkcja bozonów W + W - e + e W + W final 2

3 Fizyka na LEPie Podstawowe diagramy niskie energie (LEP I) Wysokie energie (LEP II) Najwyższe osiągnięte energie w akc. e+ e-, s= GeV W czterech eksperymentach zebrano Z 0 i par W + W -, Bardzo precyzyjne pomiary własności tych bozonów i parametrów Modelu Standardowego, Do energii s= 50 GeV cząstką pośredniczącą był tylko foton (LEP I) 3

4 LEP I (88-94 GeV) Przy niższych energiach s< 50 GeV tylko wymiana fotonu. Przy wyższych energiach wymiana Z 0 oraz interferencja (Z 0 i γ). Przy s = 90 GeV (m Z ) dominacja produkcji Z 0 na powłoce masy (on-shell) Z 0 rozpada się z czasem s rezonans Breita -Wignera. Przebieg eksperymentu: elektrony przyspieszane do energii w pobliżu masy Z 0, 7 punktów pomiarowych, bardzo precyzyjny pomiar energii, pomiar przekroju czynnego σ(e + e fതf, qഥq), leptonowego i hadronowego. wyznaczanie parametrów: - masa Z 0, - całkowita szerokość Γ Z - przekrój czynny dla piku σ 0 LEP I Results 4

5 Przekrój czynny e + e - Całkowity przekrój czynny na produkcję Z 0 : Z = σ f ҧ σ f ҧ f max 2 s Γ Z f s m2 2 z +s 2 Γ 2 Z /m2 Z σ max f fҧ = 1 0 σ 1 + δ f fҧ QED Przekrój czynny w maksimum wyrażony poprzez parcjalne szerokości rozpadów Γ f ഥf (prawdopodobieństwa rozpadów na konkretne stany końcowe f ഥf ) i stan początkowy Γ ee. σ 0 f fҧ = 12π Γ ee Γ f ഥf 2 2 m Z Γ Z poprawka na promieniowanie w stanie początkowym Całkowita szerokość Γ Z zależy od wszystkich możliwych stanów w rozpadach Z 0 : Γ Z = Γ ee + Γ μμ + Γ ττ + Γ νഥν +Γ had Γ had = q,q t Całkowity przekrój czynny zależy od Γ Z i Γ f ഥf i zawiera korelacje pomiędzy parametrami. Doświadczalnie wygodniej jest zmierzyć 6 parametrów: - masa Z 0, całkowita szerokość Γ Z, hadronowy i leptonowy przekrój czynny dla piku σ had, σ l lҧ - stosunki: Γ q തq R e = Γ had Γ ee R μμ = Γ had Γ μμ R ττ = Γ had Γ ττ 5

6 LEP schemat detektora M.Thomson Course 6

7 Rzeczywiste przypadki Z 0 na LEPie τ + τ M.Thomson Course 7

8 Rzeczywiste przypadki Z 0 na LEPie M.Thomson Course 8

9 Fizyka rezonansu Z 0 Poprawki radiacyjne - elektron przed zderzeniem może wypromieniować foton obniża to jego energię. Krzywą doświadczalną należy przeskalować o poprawki związane z QED. σ max f fҧ = 1 0 σ 1 + δ f fҧ QED Bardzo precyzyjne wyniki: m Z = ± GeV Γ Z = ± GeV 0 σ had = ±

10 Liczba pokoleń W oparciu o wyznaczenie kształtu linii Z 0 można obliczyć liczbę pokoleń fermionów: e ν e d u μ ν μ Skoro Z 0 oddziałuje z wszystkimi fermionami (również neutrinami) tak samo, to wkład od następnego pokolenia (o masie < M Z /2 )byłby widoczny w całkowitej szerokości. d u b ν τ t +??? τ Γ Z = Γ ee + Γ μμ + Γ ττ + Γ νഥν +Γ had Następnego pokolenia neutrin nie zaobserwujemy bezpośrednio, ale jego istnienie zwiększy całkowity przekrój czynny i całkowitą szerokość Z 0. Ale neutrin i tak nie widzimy, więc widzialna część przekroju czynnego ZMNIEJSZY SIĘ! W maksimum mamy: σ 0 f fҧ = 12π Γ ee Γ f ഥf 2 2 m Z Γ Z Γ νഥν = Γ νe ഥν e + Γ νμ ഥν μ + Γ ντ ഥν τ 10

11 Pomiar liczby neutrin Mierzymy przekrój czynny dla wszystkich widzialnych stanów końcowych (czyli bez neutrin)- precyzja! σ(e + e Z 0 fതf) 11

12 Pomiar liczby neutrin Wyznaczamy wszystkie potrzebne parametry z pomiaru kształtu linii Z 0 : σ 0 f fҧ = 12π Γ ee Γ f ഥf 2 2 m Z Γ Z całkowitą szerokość zapisujemy jako: Γ Z = Γ ee + Γ μμ + Γ ττ + Γ had + N νഥν Γ νഥν Różnica pomiędzy zmierzoną wartością a sumą parcjalnych szerokości dla widzialnych kanałów, daje szerokość niewidoczną. Koniecznie jeszcze należy znać teoretyczną szerokość: Γ νν = 167MeV 12

13 Pomiar liczby neutrin W dostępnych zakresach energii istnieją 3 pokolenia neutrin. Szerokości cząstkowe dla leptonów potwierdzają uniwersalność leptonów. Szerokość dla kwarków potwierdza kolor. 13

14 Uniwersalność leptonów Popatrzmy dalej na rozpady leptonu τ jest on tak ciężki, że może rozpaść się również na hadrony ±0.1% 17.3 ±0.1% 10.9 ±0.1% UNIWERSALNOŚĆ LEPTONÓW. Naładowane prądy w tych rozpadach są TAKIE SAME dla wszystkich leptonów. 14

15 CC leptonowe Prądy naładowane (oddz. przenoszone przez bozon W) działają w obrębie dubletów (tego samego pokolenia): BRAK: We ν μ 15

16 Słabe rozpady kwarków Podobnie mogłoby być dla kwarków: gdyby nie obserwacja procesu: w którym widać wierzchołek ZMIANA POKOLENIA! Oznacza to, że słabe rozpady kwarków wyglądają trochę inaczej, bo mogą zachodzić ze zmianą pokolenia. 16

17 Mieszanie kwarków Stany, które biorą udział w słabych oddziaływaniach są ortogonalnymi kombinacjami stanów o określonym zapachu, czyli: oddz. słabe widzą zamiast kwarka d jego stan będący kombinacją d i s: STANY SŁABE stany masowe (silne) macierz mieszania d = dcosθ c + s sinθ c s = scosθ c dsinθ c θ c - kąt mieszania (kąt Cabbibo) W oddziaływaniach słabych częściej występują człony z cos θ c, człony proporcjonalne do sinθ c są tłumione. 17

18 Tłumienie Wprowadzenia kąta mieszania doskonale tłumaczy tłumienie występowania niektórych rozpadów: 18

19 Uogólnienie na trzy rodziny kwarków: Macierz CKM STANY SŁABE stany masowe (silne) najbardziej częste są przejścia na diagonalach, przejścia ze zmianą dwóch pokoleńsilnie TŁUMIONE 19

20 Macierz CKM najbardziej częste są przejścia na diagonalach, przejścia ze zmianą dwóch pokoleńsilnie TŁUMIONE 20

21 Mieszanie leptonów? Pomiar parametrów macierzy CKM program fizyczny eksperymentów: BELLE (Japonia), BaBar (USA) i LHCb (CERN). Sukces macierzy mieszania koncepcja mieszania leptonów? Problem doświadczalny jak określić rodzaj neutrina? Kwarki mają różne masy i można rozróżnić stany końcowe. 21

22 LEP II ( GeV) W zderzeniach e + e - powstaje para W + W -. Proces jest przenoszony przez neutrino, ale skoro bozony W są naładowane, to istnieją również wierzchołki elektromagnetyczne: Istnienie Potrójnego Wierzchołka jest przewidziane i potwierdzone doświadczalnie! 22

23 Rozpady W + W - w LEP W modelu standardowym wierzchołki są takie same (zachodzą tak samo często). Pamiętając o kolorach mamy do dyspozycji stany końcowe: i spodziewamy się ich w stosunkach: A mamy z doświadczenia: a po uwzględnieniu kolorowych poprawek z QCD: Zad: zweryfikować uniwersalność leptonów i kwarków na podstawie powyższych wyników. 23

24 Masa i szerokość W +- W przeciwieństwie do rezonansowej produkcji Z 0, masę W +- wyznacza się licząc masę niezmienniczą produktów rozpadu. Musimy mieć pędy wszystkich cząstek i ich identyfikację. 24

25 Fizyka modelu elektrosłabego Pomiary na LEPie są najdokładniejszymi testami Modelu Standardowego. Wyznaczono większość parametrów MS. M.Thomson Course 25

26 Bozon Higgsa? 26

27 W podsumowaniu... 27