כאשר בוזוני W או Z מתפרקים, הם מייצרים שני חלקיקים הקרויים "לֶפְּטוֹנִים" (מיוונית - "חלקיקים קלים"; באנגלית: leptons). אלקטרונים, מיואונים ונוֹיטְרִינים (neutrinos) הם כולם לפטונים, וכך גם האנטי-חלקיקים שלהם.

מכיוון שלבוזון Z אין מטען חשמלי הוא יכול להתפרק לשני לפטונים בעלי מטענים הפוכים (לדוגמה: e+ ו- e-). לבוזוני W מטען חשמלי +1 או -1 , ולכן חלקיק W יכול להתפרק לאלקטרון או למיואון יחיד יחד עם נויטרינו שמטענו החשמלי אפס. יש עוד הרבה מה לאמור בנושא זה ... אך די בינתיים.

• בוזון היגס מתפרק לשני בוזוני Z
• בוזון היגס מתפרק לשני פוטונים

כשחלקיקי W+ או W- נוצרים בהתנגשות בין שני פרוטונים בגלאי ה-CMS, הם מתפרקים מיד. שני הלפטונים (תוצרי ההתפרקות, אלקטרון או מיואון ונויטרינו) יוצאים בנקודת ההתפרקות מאלומת המאיץ ונכנסים אל תוך הגלאי עצמו. אלקטרונים ומיאונים משאירים עקבות בגלאי הפנימי שמתעקמות בשדה המגנטי החזק ששורר בגלאי. העקבה של חלקיק בעל מטען חשמלי חיובי תתעקם בכיוון השעון וזו של חלקיק בעל מטען שלילי תתעקם נגד כיוון השעון (בתצוגת xy). נויטרינו הוא מבלי שיבחינו ; עם זאת , מומנטום חסר מוצג כמסלול סגול ובאופן כללי מיוחס לנויטרינו .

הקליקו על התמונה שבצד ימין כדי לראות אותה בהגדלה. האם אתם מזהים את וקטור התנע החסר בכל אחד משני האירועים? בחנו היטב את העקבה השניה בכל אירוע. איזה אירוע שייך בסבירות הגבוהה יותר לתהליך התפרקות של W+? של W-? העקבה הקצרה הירוקה ב"Event A" שייכת לאלקטרון. העקבה האדומה הארוכה ב"Event B" שמגיעה עד לתיבות האדומות שייכת למיאון.

כשבוזון Z נוצר ב-CMS, הוא מתפרק מיד. במקרה זה, שני הלפטונים הם או זוג של מיואונים (μ^-μ⁺) או זוג של אלקטרונים (e^-e⁺). לא נוצר נויטרינו ולכן לא צפוי תנע חסר. עם זאת, תהליכים רבים מתרחשים במהלך כל האירוע ולכן יתכן שכמות מסוימת של תנע תחסר.

הקליקו על התמונה שבצד ימין כדי לראות אותה בהגדלה. איזה אירוע מראה בסבירות הגבוהה ביותר בוזון Z שמתפרק למיאונים? לאלקטרונים? איזה אירוע מתאים להתפרקות W? איך תוכלו להבדיל בין אירוע W לבין אירוע Z עם כמות מסוימת של אנרגיה חסרה?

בוזון היגס יכול להתפרק בדרכים שונות. שתים מהן מעניינות אותנו:

• ההיגס מתפרק לשני בוזוני Z. חלקיקי ה-Z מתפרקים ללפטונים, כמתואר לעיל, כך שנקבל ארבע עקבות של לפטונים: שני זוגות מיואונים (μ^-μ⁺μ^-μ⁺) או שני זוגות אלקטרונים
  (e^-e⁺e^-e⁺) או זוג מיואונים עם זוג אלקטרונים (μ^-μ⁺e^-e⁺).
• ההיגס מתפרק שלני פוטונים. לפוטונים אין מטען חשמלי ולכן לא רואים אותם בגלאי ה-tracker. הם מאבדים כמות גדולה של אנרגיה בגלאי ה-Ecal.

בחרו בתמונה בצד ימין על מנת לראות גרסה מוגדלת לניתוח מקרוב. שני האירועים הם מועמדים להיגס. אחד מראה שני פוטונים (שני "מגדלי" אנרגיה ב-Ecal ללא עקבות התפרקות אפשרית של היגס לשני בוזוני Z (במקרה זה, כל אחד מחלקיקי ה-Z מתפרק מיד לשני אלקטרונים). לדעתכם, איזו תמונה מראה איזה אירוע?

עבור כל אחד מהאירועים, כיוון אלומת המאיץ הוא לאורך ציר הסימטריה המשותף של גלילי ה-ECAL וה-HCAL. איזה אירוע מהווה מועמד טוב יותר לתהליך W? לתהליך Z? בכל אחד מהאירועים, היכן מתרחשות התנגשות הפרוטונים והתפרקות החלקיקים?

לפני שתתחילו

אם iSpy ו-CIMA אינם מוכרים לכם:

• עברו למבוא
• צפו בסרטון ההדרכה עבור iSpy ו-CIMA ולתיעוד של כיתת אמן CMS
• שאלו את המנחה או את המורה שלכם.

נתחו את האירועים

כלי העבודה שלכם הם:

• תצוגת האירועים (iSpy-webgl)
• CMS Instrument for Masterclass Analysis, CIMA
• בן\בת זוג לצוות

אתם תבחנו את תצוגת האירועים, תפרשו אותה ותשתמשו בגיליון הנתונים לרישום התצפיות שלכם. הגיליון יעזור לכם למצוא יחסים חשובים בין ההסתברויות של תהליכים ולחשב את המסות של מועמדים לבוזון Z. בעזרת נתוני המסה של כל הצוותים ביחד תפיקו היסטוגרמה. המדריכים שלכם יעזרו לכם להבין את התוצאות לפני שתשלחו אותם למנחי וועידת הווידיאו ב-CERN.

כל צוות ינתח 100 אירועים. כשאתם בוחנים אירוע, שאלו:

• האם עקבות הלפטונים הנראות באירוע שייכות למיאונים או לאלקטרונים?
• האם מדובר במועמד לתהליך W או לתהליך Z? האם מדובר באירוע מסוג "גן חיות של חלקיקים" (zoo event) (ז.א. אירוע שלא ניתן לקטלוג)?
• אם סביר יותר שמדובר באירוע W, האם מדובר ב- W+ או W-?
• אם סביר יותר שמדובר במועמד ל-Z, האם תוכלו לזהות שתי עקבות של לפטונים ולעשות בהן שימוש לחישוב המסה האינווריאנטית של חלקיק האב?
• אם סביר יותר שמדובר במועמד להיגס, האם הוא מתפרק לארבעה לפטונים או לשני פוטונים?

בגיליון הנתונים תמצאו תאים מיוחדים המיועדים לרישום התשובות לשאלות אלה.


תוצאות

המדריכים שלכם יעזרו לכם לשלב את תוצאות כל הצוותים (עד 3000 אירועים) על מנת לקבל עבור כל הקבוצה את התוצאות הבאות:

• היחס W/Z (קשה יותר ממה שחושבים).
• היחס W⁺/W^-.
• היחס e/μ.
• המסות של בוזון ה-Z ושל חלקיקים אחרים בעלי ערוצי התפרקות דומים, בעזרת צירוף סטטיסטי של נתונים בתרשים מסות (mass plot)
• מספר אירועי ההיגס האפשריים עם התפרקות לארבעה לפטונים או לשני פוטונים

המכון המדעי שיארח את ה-masterclass שלכם יתקשר למוסדות אחרים בוועידת ווידיאו שבמהלכה תתקיימנה הפעילויות הבאות:

• כל מכון יציג בקצרה את התוצאות שלו.
• המנחים יאספו נתונים מכל המוסדות המשתתפים ויראו תרשים מסות משולב.
• הוועידה תסתיים עם פרק "שאלות ותשובות" שבו תוכלו לשאול כל דבר, החל מ"איך עובד מאיץ ה-LHC?" ועד ל"מה עושה פיזיקאי של חלקיקים אלמנטריים בשביל ליהנות?".