Wenn ein W– oder Z–Boson zerfällt, entstehen dabei zwei neue Teilchen, sogenannte Leptonen. Zu den Leptonen gehören beispielsweise Elektronen, Myonen und Neutrinos sowie deren Anti–Teilchen.

Das Z–Boson hat keine elektrische Ladung. Wenn es in zwei Leptonen zerfällt, tragen diese gegensätzliche Ladung (z.B. e- und e+). W–Bosonen sind hingegen elektrisch geladen (+ oder –). Deshalb entsteht beim Zerfall eines W–Bosons nur ein einzelnes geladenes Lepton (Elektron oder Myon) sowie ein ungeladenes Neutrino. Soviel für den Anfang.

Ein Higgs Boson kann auf verschiedenen Arten zerfallen. Du kannst folgende Möglichkeiten beobachten:

• Das Higgs Boson zerfällt in zwei Z-Bosonen.
• Das Higgs Boson zerfällt in zwei Photonen.

Wenn bei einer Kollision zwischen zwei Protonen ein W–Boson entsteht, zerfällt dies sofort wieder. Die neu entstandenen Teilchen (Elektron oder Myon sowie Neutrino) fliegen durch den CMS–Detektor, der den Kollisionspunkt umschließt. Elektronen und Myonen hinterlassen Spuren im inneren Detektor. Das starke Magnetfeld des Detektors krümmt die Spuren dieser Leptonen: Positiv geladene Teilchen werden nach rechts abgelenkt, negativ geladene nach links (in der x–y–Ansicht). Neutrinos hinterlassen im Detektor keinerlei Spuren. Die lila Spur im Ereignisbild, der für fehlenden transversalen Impuls steht, zeigt jedoch an, dass ein Neutrino entstanden ist.

Klicke auf das nebenstehende Bild zum Vergrößern. Siehst Du den Vektor für den fehlenden transversalen Impuls in jedem der beiden Ereignisse? Achte auf die anderen Spuren in den Ereignissen. Welches ist wahrscheinlich der Zerfall eines W+–Bosons? Und eines W––Bosons? Die kurze grüne Linie in Ereignis A zeigt ein Elektron an. Die lange rote Spur im Ereignis B, die alle Schichten des Detektors durchdringt, stammt von einem Myon.

Wenn im CMS–Detektor ein Z–Boson entsteht, zerfällt es ebenfalls sofort wieder. Dabei entsteht ein Paar von Leptonen: Myon–Antimyon oder Elektron–Positron. Neutrinos werden nicht gebildet, daher sollte kein fehlender transversaler Impuls zu beobachten sein. In der Praxis ist dies aber doch manchmal der Fall, da bei einer Kollision mitunter so viel passiert, dass der Detektor nicht alle Teilchen registriert und daraus fehlender transversaler Impuls resultiert.

Klicke auf die nebenstehende Abbildung zum Vergrößern. Bei welchem Ereignis ist ein Z–Boson in ein Paar von Myonen zerfallen? In ein Elektron–Positron–Paar? Welches Ereignis stammt vom Zerfall eines W–Bosons? Wie kannst Du ein W–Boson von einem Z–Boson unterscheiden, bei dem ein fehlender transversaler Impuls gezeigt wird?

Ein Higgs Boson kann auf verschiedenen Wegen zerfallen. Wir befassen uns hier mit zwei Möglichkeiten:

• Das Higgs Boson zerfällt in zwei Z-Bosonen. Jedes Z-Boson zerfällt wiederum in ein Paar von Leptonen, wie oben beschrieben. Deshalb kann man vier Leptonen beobachten: entweder zwei Myon-Paare (2 x μ^-μ⁺), zwei Elektron-Positron-Paare (2 x e^-e⁺), oder aber ein Myon-Antimyon-Paar und ein Elektron-Positron-Paar (μ^-μ⁺e^-e⁺).
• Das Higgs Boson zerfällt in zwei Photonen. Weil Photonen keine elektrische Ladung besitzen, hinterlassen sie keine Spur im inneren Detektor, aber zeigen sich durch Energieeinträge im elektromagnetischen Kalorimeter.

Klicke auf das nebenstehende Bild zum Vergrößern. Beide Ereignisse zeigen Higgs Kandidaten. Eins zeigt zwei Photonen (zwei grüne Energieeinträge im elektrischen Kalorimeter, ohne dazugehörende Spuren). Das zweite Ereignis zeigt, wie der Zerfall eines Higgs Bosons in zwei Z-Bosonen aussehen könnte. Jedes Z-Boson ist wiederum in zwei Elektronen zerfallen. Welches Bild zeigt welches Ereignis?

Die Strahlachse verläuft gemeinsam mit der Achse des elektromagnetischen und hadronischen Kalorimeters, die hier als zylindrische Gitterstruktur gezeigt werden. Welches Ereignis stammt von einem W–Boson? Welches von einem Z–Boson? Wo finden Kollision und Teilchenzerfall statt?

Vor dem Beginn

Wenn Du nicht vertraut bist mit iSpy und CIMA:

• Lies die Einleitung.
• Nutze den Screencast für iSpy und CIMA sowie die CMS Masterclass Dokumentation.
• Frage Deine Betreuer oder Lehrer.

Untersuche die Ereignisse

Du benötigst folgendes:

• Event Display (iSpy-webgl)
• CMS Instrument for Masterclass Analysis (CIMA)
• Partner

Zusammen mit Deinem Partner untersuchst Du Ereignisse, interpretierst sie und hältst Deine Beobachtungen in einer Tabelle fest. Mit Hilfe der Tabelle kannst Du anschließend Verhältnisse bestimmen und die Masse des Z–Bosons ermitteln. Für die Massenbestimmung werden alle Werte deiner Masterclass kombiniert und bei der Erstellung des Histogramms einbezogen. Dein Tutor wird Eure Gruppe bei der Betrachtung der Ergebnisse unterstützen. Danach werden die Resultate an die Moderatoren der Videokonferenz weitergeleitet.

Gemeinsam mit Deinem Partner sollst Du 100 Ereignisse untersuchen. Folgende Fragen helfen Euch dabei:

• Stammen die Spuren von Myonen oder von Elektronen?
• Handelt es sich um ein W–Boson oder ein Z–Boson? Oder ist es sogenannter Untergrund?
• Falls es ein W–Boson ist: Wie ist seine elektrische Ladung?
• Falls es ein Z-Boson ist: Findest Du die Spuren der beiden Leptonen und kannst die invariante Masse ermitteln?
• Falls es ein Higgs Kandidat ist: Hat es sich in 4 Leptonen oder in 2 Photonen umgewandelt?

Alle Deine Beobachtungen kannst Du in die Tabelle eintragen.


Ergebnisse

Dein Tutor wird Euch helfen, die Ergebnisse von allen Gruppen zu kombinieren (bis zu 3000 Ereignisse). Damit erhaltet Ihr für Euer Institut die folgenden Werte:

• Das Verhältnis W/Z (klingt einfacher als es ist).
• Das Verhältnis W⁺/W^–.
• Das Verhältnis von Elektronen zu Myonen.
• Die Masse des Z–Bosons und anderer Elemenarteilchen aus dem kombinierten Histogramm.
• Die Anzahl der Higgs-Ereignisse mit Umwandlung in 4 Leptonen bzw. 2 Photonen.

Dein CMS Masterclass–Institut wird in einer Videokonferenz mit anderen Gruppen zusammentreffen. Ablauf der Videokonferenz:

• jedes Institut präsentiert kurz seine Resultate.
• die Moderatoren führen alle Ergebnisse zusammen und zeigen ein kombiniertes Massen–Histogramm
• die Moderatoren zeigen ein weiteres Histogramm, das auf den CMS Masterclass–Daten beruht, und erklären dessen Bedeutung.
• Frage–Antwort–Runde mit den Moderatoren: Was möchtest Du von ihnen wissen?