LeptonMasseLebensdauer e 1 eV 190 keV 18,2 MeV e 511 keV 105,7 MeV 2,197 s 1,777 GeV0,291 ps...
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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”: