A W-, illetve Z-bozon bomlása során leptonoknak nevezett részecskék keletkeznek. Az elektronokat, müonokat és a tau-részecskéket az antirészecskéikkel együtt leptonoknak nevezzük.

A Z-bozonnak nincsen töltése, így két, egymással ellentétes töltésű leptonra bomlik (ilyenek lehetnek például az e+ és e-). A W-bozonok töltése +1, vagy -1, így a bomlásuk során egy elektron, vagy egy müon keletkezik egy töltés nélküli neutrínóval együtt. Ennek az elméleti háttere nagyon bonyolult, így egyenlőre elég ennyit tudni.

A Higgs-bozon sokféle képpen tud elbomlani. Ebből mi most kettőt fogunk vizsgálni:

• a Higgs-bozon két Z-bozonra bomlik, valamint
• a Higgs-bozon két fotonra bomlik

A W+ és W- bozonok a CMS belsejében történő proton-proton ütközésekben keletkeznek és gyakorlatilag azonnal el is bomlanak. A bomlás során keletkező két lepton (elektron, vagy müon és a hozzá tartozó neutrínó) kilép a nyalábcsőből és behatol a detektorba. Az elektronok és müonok felismerhetők a belső detektorban hagyott nyomaikról. A nyomok a CMS igen erős mágneses terében meggörbülnek, mégpedig úgy, hogy a pozitív töltésű részecskék nyomai az eseménymegjelenítő képén az XY síkban az óramutató járásával megegyezően, míg a negatív tötésűeké ezzel ellentétesen térül el. A neutrínókat ezzel szemben nem lehet detektálni, viszont a rendszer sárga nyíllal jelölt hiányzó impulzusáért általában a neutrínók felelnek.

A bal oldali képre kattintva megnyílik annak nagyított változata. Megtalálod-e a „hiányzó impulzusvektorát” a képeken? Nézd meg közelebbről a másik nyomot. Milyen részecskébe bomlik a W+ és a W- a legnagyobb valószínűséggel? Az A eseményben a rövid sárga vonal az elektron nyomát, míg a B eseményben a piros dobozokon áthatoló hosszabb sárga vonal a müont jelzi.

Csakúgy, mint a W-bozon, a CMS-beli keletkezését követően a Z-bozon is azonnal elbomlik. Itt azonban a bozon bomlásában keletkező két lepton vagy egy müon- (μ^-μ⁺), vagy egy elektronpár (e^-e⁺) tagjai. Nem keletkezik viszont neutrínó és nem is lehet hiányzó impulzus. A valóságban azonban sok minden történik egy eseményben és az is előfordulhat, hogy a detektor nem „lát” mindent, ezért valamekkora hiányzó impulzus megfigyelhető.

A bal oldali képre kattintva megnyílik annak nagyított változata. A képek közül melyiken bomlik a Z müonba, melyiken elektronba? Melyik esemény lehet W-bomlás? Hogyan lehet megkülönböztetni a Z-jelöltet a valamekkora hiányzó energiát tartalmazó W-jelölttől?

A Higgs-bozon számos módon el tud bomlani. Ezek közül mi most csak két bomlási csatornára koncentrálunk:

• A Higgs két Z-bozonra bomlik. Ezek után a Z-bozonok ugyanúgy bomlanak el leptonokká, mint azt fentebb láttuk, azaz négy lepton-nyomot fogunk kapni: két müonpárt (2 x μ^-μ⁺), két elektronpárt (2 x e^-e⁺), vagy egy müon- és egy elektronpárt (μ^-μ⁺e^-e⁺).
• A Higgs-bozon két fotonná bomlik. A fotonoknak nincs elektromos töltésük, így nem hagynak nyomot a belső nyomkövető detektorban. Ellenben ezek a fotonok nagy energiát veszítenek az elektromágneses kaloriméterben, az Ecal-ban.

A bal oldali képre kattintva megnyílik annak nagyított változata. Mindkét esemény Higgs-jelölt. Az egyik ábra két fotont tartalmaz (két zöld torony az Ecal-ban hozzájuk tartozó részecskenyom nélkül). A másik ábrán a Higgs-jelölt két Z-bozonra bomlik el (ebben az esetben mindkét Z-bozon keletkezését követően szinte azonnal két-két elektronra esik szét). Melyik ábra mutatja a kétfotonos- és melyik a két Z-bozonos bomlást?



Az iSpy-webgl szoftverrel megjelenített események szerkezete



Minden eseményben a protonnyaláb iránya egybeesik az ECAL és HCAL detektorokat jelképező rácsos hengerek hossztengelyével. Melyik eseményben van W- és melyikben a Z-jelölt? Az eseményekben hol ütköztek a protonok és hol bomlottak el a bozonok?



Mielőtt hozzákezdenétek 

Ha járatlanok vagytok az iSpy, vagy a CIMA használatában:
• Olvassátok el a bevezetőt)
• Nézzétek meg az  iSpy és a CIMA használatát elmagyarázó videot és (angol nyelven) olvassátok el a CMS Mesterkurzus dokumentációját (angol nyelven).
• Kérdezzétek meg a segítotöket, vagy a tanárotokat.

Az események kiértékelése

Az alábbi eszközök állnak rendelkezésedre:
• eseménymegjelenítő (iSpy-webgl)
• CMS Instrument for Masterclass Analysis (CIMA)
• gyakorlatot veled együtt végző diák
Nézzétek meg figyelmesen az eseményt az eseménynézegetőben, majd a látottak értelmezése után jegyezzétek fel a táblázatban az észrevételeiteket. A táblázat segítségetekre lesz az arányok kiszámításában, illetve a Z-jelöltek tömegének meghatározásában. A mesterkurzus alatt kiszámolt összes Z-tömegre vonatkozó adatot először összesíteni, majd pedig grafikusan ábrázolni is fogjuk. A segítőtanárotok segítségével először értelmezni fogjátok a kapott eredményeket, később pedig el is külditek az adataitokat a videokonferencia moderátorainak.

A kiértékelő csoportok mindegyikének 100-100 eseményt kell megvizsgálnia. A vizsgálat alatt az alábbi kérdésekre kell választ adni:
• A megfigyelt lepton-nyomok müonoktól, vagy elektronoktól származnak?
• Az eseményben van-e W-jelölt, vagy Z-jelölt? Esetleg az esemény „zoo” esemény?
• Ha W-jelölt van az eseményben, akkor az W+, vagy W-?
• Z-jelölt esetén keressétek meg a két lepton nyomát, majd ezeket felhasználva számoljátok ki a szülő részecske invariáns tömegét.
• Ha az esemény Higgs-jelöltet tartalmaz, akkor az négy leptonra, vagy két fotonra bomlik el?
A táblázatban minden egyes válasz beírására van hely.


Eredmények

Tanárotok segítségével az összes kiértékelő csoport adatát összesíteni fogjátok (maximálisan 1900 esemény áll rendelkezésetekre) és közösen meghatározzátok a mesterkurzusotok eredményeit az alábbi mennyiségekre:
• W/Z arány (nem olyan egyszerű, mint elsőre tűnik).
• W+/W- arány.
• e/μ arány.
• a Z- és más hasonló bomlásból származó részecskék a tömegeloszlás-grafikonja
• azon valószínűsíthetően Higgs-események számát, melyek a négyleptonos, vagy kétfotonos csatornába bomlottak el.
A ti mesterkurzusotok eredményeit összesítitek a többi mesterkurzus eredményeivel egy videokonferencia keretében. A videokonferencia menetrendje a következő:
• minden mesterkurzus röviden ismerteti az eredményeit
• a moderátorok összesítik a mesterkurzusok adatait és kiszámolják az összesített Z tömegeloszlás grafikont.
• a moderátorok egyike kiszámol egy másik eloszlást is a mesterkurzus adataiból, melyet bemutat és el is magyaráz.
• a találkozó végén kérdéseket tehettek fel a moderátoroknak szabadon, akármilyen témában. Beszélgethettek velük például arról, hogy hogyan működik az LHC, de akár azt is megkérdezhetitek, hogy mit csinál egy részecskefizikus a szabadidejében.