ΤΟ ΜΠΟΖΟΝΙΟ Ζ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΓΙΩΡΓΟΣ Α.Ε.Μ 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

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).

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).Super Proton Synchrotron 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

ΕΝΕΡΓΟΣ ΔΙΑΤΟΜΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΤΟΥ Ζ Τα παρατηρούμενα γεγονότα παραγωγής Ζ (από ppbar) και διάσπασης του σε e+ e-, είναι: όπου σ(ppbar  Zx) 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.

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.

Μια μικρή παρουσίαση του επιταχυντή LEP…. (Large Electron Positron Collider) Χρόνος: Θέση: CERN, Ελβετία Περιφέρεια: 27 Km Σωμάτια: ηλεκτρόνια-ποζιτρόνια Ενέργεια δέσμης: 45GeV – 104.5GeV Λαμπρότητα: 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 και περισσότερους. 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 Ζ  e+e-) Για την περίπτωση Z →νν ̄, που δεν μπορούμε να την μετρήσουμε απευθείας μπορούμε να πάρουμε πληροφορίες από:

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:

Z LINESHAPE AND NEUTRINOS , 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:

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:

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