W and Z Bosons and the 3 Neutrino

W and Z Bosons and the 3 Neutrino Families Sedat Altinpinar

Theorie/Prediction of Neutrinos -Prediction of “a“ Neutrino Pauli, ß-decay

Experimental Discovery of the Neutrinos Cross Section for Neutrino reactions • Cowan and Reines 1959

Discovery of the µ Neutrino • Until the end of the '50 s : Only one Generation of Neutrinos • Bruno Pontecorvo (1913 -1993): Why doesn't annihilate the Neutrino and Antineutrino which at the µ- Decay arise? • The solution could be that the Neutrinos are different

The first HE Neutrino Experiment • Melvin Schwartz (*1932) was researching about Neutrinos • He was interested in the ratio For the case, there is only one type of Neutrinos, the ratio should be 10 -4 • This value could already at that time be excluded (< 10 -8 ) • Schwartz had the same idea like Pontecorvo

The Brookhaven Experiment at 1960 Spark Chamber • The neutrinos react with the Neutrons of the Aluminium • The arrised charged particles leave tracks of ionised Neons. • A Scintillator is triggering the High Voltage • The tracks are visible as a row of sparks

Distinction between e- und µCharakteristic Track e- loose more energy µ- are radiating less due to their higher mass

Result • 1014 Neutrinos traversed the detector • 29 Neutrino reactions were measured • All produced are Muons • If there would exist only one generation of Neutrinos there should arrise in equal amount electrons and muons

Discovery of the Tau Neutrino • Discovery of the Tau Lepton 1975 • Postulation of the Tau Neutrino • Discovery of the Tau Neutrino in 2000 with DONUT (Direct Observation of NU Tau) at Fermilab

Why is it so difficult to discover the • Neutrinos appear through their charged Lepton partner • Lifetime of τ is 300 fs • 's are rare: From 1013 Neutrinos only 103 have reacted, 4 from them were ?

Results from DONUT • Es wurden 4 Tau Neutrinos nachgewiesen!

Prediction of W Z Bosons Glashow-Weinberg-Salam Modell: Electroweak force is mediated by the W+, W-, Z 0 bosons. Prediction of mass

Discovery at CERN

W+ /W- /Z 0: Where and how shall one search? Measurements with charged and neutral currents (i. e. Muon decay, Neutrino scattering) ergeben Abschätzungen für die Massen für das W± bzw. Z 0: MW ≈ 80 Ge. V und MZ ≈ 90 Ge. V In particle collisions it can be produced new particles up to a mass of M = Production in e+ e- - collisions? (LEP in Planning) but: e+ + e- → Z 0 →. . . ✔ aber: e+ + e- → W+ + W- →. . . ✘ (Schwerpunktsenergie von ≈ 160 Ge. V notwendig)

Am CERN bereits vorhanden: Protonenbeschleuniger SPS mit fixem Target Protonen werden dort auf eine Energie von EP ≈ 300 Ge. V beschleunigt ≈ 25 Ge. V Neue Idee: Protonen und Antiprotonen aufeinander schießen Vorteile: • Antiquark als Valenzquark im Antiproton vorhanden • Nur ein Beschleunigungsring nötig Problem: Woher Antiprotonen? Erzeugung durch Beschuss eines Targets mit Protonen: sehr ineffizient! ( N anti-P ≈ 10 -6 ∙ N P)

Daher: Notwendigkeit der Speicherung der Antiprotonen um sie zu sammeln neues Problem: Antiprotonen sind „heiß“ (haben große Impulsverteilung) Idee von Simon van der Meer: stochastische Kühlung

Stochastic Cooling S. v. d. Meer, 1972 Kicker Ein Teilchen, das nicht auf der Sollbahn liegt, influenziert auf dem Pickup ein Signal Dieses Signal wird im Kicker zur Korrektur der Teilchenbahn verwandt ++++ ---- ---Pickup

Principle of stochastic cooling

Nachweis von W±→e±+ νe • Das W zerfällt in zwei Teilchen, ein hochenergetisches e±(oder. Myon) und ein Neutrino. Zerfall back to back im Schwerpunktssystem des W. • Da das Neutrino nicht detektiert wird, benutzt man “missing p. T” (Impuls!) als. Signatur. Der fehlende. Transversalimpuls ist betragsmäßig gleich dem des e± und hat das umgekehrte Vorzeichen =>Man muß den (transversal-) Impuls/Energie aller. Teilchen bestimmen • Zerfälle des W in du, . . . quark treten häufiger auf, sind aber schwer vom QCD Untergrund zu trennen.

Der UA 1 Detektor

Zentraldetektor

Elektromagmetisches Kalorimeter

Hadronen Kalorimeter

Magnets

Myonen Kammern • zwei Ebenen aus je vier Lagen Driftröhren

ET>15 Ge. V (1, 5 * 106 events) Isolierte e-Spur im DC mit p. T> 7 Ge. V (Faktor 100 weniger) Energiedeposition in Hardronen Kalorimeter>600 Me. V (346 events) Ereignisse ohne Jets(55 events) Ereignisse in der Mitte des Detektors(43 events) 43 events wurden von Hand angeschaut und für gut befunden

Missing energy

Bestimmung der Masse des W Messung des Transversalimpulses und Transversalenergie Jakobi Peak Events per [Ge. V]

Transversale Masse

Nachweis von Z 0→e++ e • Suche nach isolierten e±Spuren: hohe Energie im e/m Kalorimeter (>25 Ge. V) und nur wenig Energie im Hadronen Kalorimeter (<800 Me. V) • Ausschluss aller events, wenn alle überigen. Teichlenzusammen p. T>3 Ge. V • 4 events nach den cuts Gleiches Schema für µ+µ-liefert insgesamt neun events

Nachweis von Z 0→e++ e-

Energy Deposition

Invariante Masse des Z Bestimmung der Masse des Z zu: m. Z = (93, 9± 2, 9) Ge. V/c 2

Precision Studies at LEP

What happens in e- e+collisions • Zu vermessen: – Form der Resonanz – Zerfallsraten für verschiedene Endzustände • Was sind nun die möglichen Zerfallskanäle? • Z “Weglänge” 2 x 10 -18 m

Z Decay Channels: Z -> e+e- (Bhabha-Scattering) Z -> m+m. Z -> t+t. Z -> Quark Anti-Quark

e+e- : Bhabha_Scattering

m+m- : Muon Produktion

t+t- : Tau Production

t+t- : Tau Production nt e+ t- u W- Z e- t+ Pions, Kaons d W+ m+ nm nt

Quark-Pair Production

Quark-Pair Production 10 -15 m

How can we see Neutrinos if they are invisible The Production Probability for Hadrons = G = Resonance Width =2 (from Theory) Relative Number (Ratio) of leptonic zu hadronic Events

-> “Counting Experiment” • Count hadronic Events • Count leptonic Events

Precise Measurements . . . and other observables consistent with the Standard Model

What for are these precise measurements Example : Prediction of the Top. Quark Mass For this we consider again the reaction e+e- -> Hadrons. . . e- e+ Quark Experimentel precisely measured… Z Anti-Quark This is a Quantum Process

Reminding Some Quantum Mechanics The Double Gap - Experiment Interference-Structure in Intensity Distribution A 1 Photon - or Elektron Source A 2 QM gives Probability Distribution for Aufprallort : P = | A 1 + A 2 |2 = |A 1|2 + |A 2|2 + 2 Re. A 1*A 2 Interference!! Consider all possible ways, |sum their Amplitudes| 2

That's Why. . . A 2 A 1 e- Quark e+ Top e- + Z Anti-Quark e+ Quark Z Z Anti-top Anti-Quark A 3 e- + e+ Quark Z +. . . Higgs Anti-Quark E 2 m 2 + p 2 Sum all possible Ways, to come to the same final state