Wanneer een W of een Z-boson vervalt, produceert het twee deeltjes, leptonen genaamd. Elektronen, muonen en neutrinos zijn, net als hun anti-deeltjes, leptonen. Omdat het Z-boson ongeladen is, moeten de leptonen tegengestelde lading hebben (bijvoorbeeld: e+ en e-). W-bosonen hebben een lading van +1 of -1, Hierdoor kan een W vervallen naar een enkel elektron of muon en een neutrino, dat geen lading heeft. In de werkelijkheid zit het iets ingewikkelder in elkaar, maar dit volstaat om de oefeningen tot een goed einde te brengen.

Een Higgs boson kan op verschillende manieren vervallen. De twee manieren die je kan tegenkomen zijn:

• Higgs boson vervalt naar twee Z bosonen.
• Higgs boson vervalt naar twee fotonen.

Wanneer een W+ of W- is geproduceerd in een proton-proton botsing in CMS, dan vervalt het W ogenblikkelijk. De twee leptonen (een elektron of een muon plus een neutrino) vertrekken vanaf het vervalpunt in de beampipe en vliegen in de detector. Elektronen en muonen zijn zichtbaar als tracks in in de spoor detector (tracker of inner detector). Ze buigen af door het sterke magneetveld in CMS: kloksgewijs voor deeltjes met een positieve lading en anti-kloksgewijs voor deeltjes met een negatieve lading, als je naar deze events kijkt vanuit het x-y gezichtspunt. Neutrinos worden niet gedetecteerd, maar de events moeten energie en impulsbehoud hebben in het transversale vlak (x-y vlak). Dat wil zeggen dat de som van alle impulsvectors van de gecreeerde deeltjes in het transversale vlak nul moet zijn. Indien een neutrino ongedetecteerd ontsnapt, dan zal deze som verschillen van nul en zal het event zogenaamd "missing momentum" bevatten, aangeduid door een paarse track. Dit missing momentum is meestal ten gevolge van neutrinos.

Klik op de afbeelding aan de linkerkant, voor een grotere versie die je nauwgezet kan bekijken. Zie je de "missing momentum" vector in elk van deze events? Bekijk de buiging van de andere track. Welk event was het meest waarschijnlijk een verval van een W+? een W-?De korte groen track in event A is een electron, de langere rode track in event B is een muon. Merk op dat het muon veel verder door de detector kan vliegen en gedetecteerd wordt in speciale muon kamers (rode dozen).

Wanneer een Z-boson wordt geproduceerd in CMS, dan vervalt het ogenblikkelijk. In dit verval zullen de leptonparen bestaan uit ofwel een muon paar (μ^-μ⁺) of een elektron paar (e^-e⁺). Er worden geen neutrinos geproduceerd, en er zou dus geen missing momentum mogen zijn. In de praktijk treden er allerlei processen op in het event en kan de detector altijd enkele deeltjes missen, dus missing momentum kan niet volledig uitgesloten worden in deze events

Klik op de figuur aan de linkerzijde om een grotere versie te bekomen. Welke van deze events is het meest waarschijnlijk een Z-boson dat naar muonen vervalt? In welk event vervalt het Z-boson naar twee elektronen? Welk event zou een W-boson verval kunnen zijn? Hoe onderscheid je een W-boson kandidaat van een Z-boson kandidaat als dat laatste missing momentum heeft?

Er zijn verschillende manieren waarop een Higgs boson kan vervallen. Wij interesseren ons in twee gevallen:

• Het Higgs boson vervalt naar twee Z bosonen. De Z deeltjes vervallen naar leptonen, zoals hierboven, dus verkrijgen we vier lepton sporen: twee muon paren (2 x μ^-μ⁺), twee elektron paren (2 x e^-e⁺), of één muon en één elektron paar (μ^-μ⁺e^-e⁺).
• Het Higgs boson vervalt naar twee fotonen. Fotonen hebben geen elektrische lading, en zijn dus onzichtbaar in de spoordetector. Ze zetten evenwel veel energie af in de ECal.

Selecteer de afbeelding links om een grotere versie te krijgen voor gedetailleerde analyse. Beide gebeurtenissen zijn kandidaat Higgs gebeurtenissen. Een van deze toont twee fotonen (twee groene energie afzettingen in de ECal zonder bijhorend spoor). De andere toont een mogelijk Higgs verval in twee Z bosonen (elk Z vervalt in dit geval meteen in twee elektronen). Welke denk je dat wat voorstelt?

De beamline bevindt zich langsheen de gemeenschappelijke symmetrie as van de ECAL en HCAL detectors. Welk event bevat de beste W kandidaat? De beste Z kandidaat? Waar gebeurt de botsing en het verval van het W of Z deeltje in elk event? ?

Voor je start

Als je niet gewend bent aan iSpy en CIMA:

• ga naar de (inleiding)
• Refereer naar de screencast voor iSpy en CIMA en de CMS Masterclass Documentation.
• Vraag je mentor of leraar.

Analyzeer de botsingen

Je werkt samen met een partner en jullie hebben volgende dingen ter beschikking:

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

Jij en je partner onderzoeken de botsingen met behulp van het event dispay. Jullie interpreteren wat jullie zien en gebruiken het werkblad om jullie resultaten bij te houden. Het werkblad zal jullie helpen om de W/Z en e/mu verhoudingen te vinden en de massa van de Z-bosonen te berekenen. Alle Z-massa gegevens zullen samengelegd worden voor het hele Masterclass Instituut en jullie maken een plotje van de Z-massa piek met het histogram software. Jullie begeleider zal de hele groep helpen het resultaat te begrijpen alvorens de resultaten naar de video conferentie moderators gestuurd worden.

Jij en je partner hebben 100 events te onderzoeken. Als jullie een botsing bekijken, vraag jezelf dan:

• Zijn de geobserveerde leptonen muonen of elektronen?
• Is dit een W kandidaat of een Z kandidaat? Of is het een "zoo" event?
• Als het meer dan waarschijnlijk een W-deeltje is, is het dan een W+ of W-?
• Als het waarschijnlijk een Z kandidaat is, kan je de twee lepton sporen identificeren en ze gebruiken om de invariante massa van het moederdeeltje te vinden?
• Als het waarschijnlijk een Higgs kandidaat is, is het met 4 leptonen of 2 photonen?

Je zal al deze dingen kunnen invullen in CIMA.


Resultaten

Jullie begeleider zal jullie helpen de resultaten van alle studenten (tot max 3000 events) te combineren, om tot een gezamenlijk resultaat te komen voor de Masterclass Institute in zijn geheel:

• de W/Z verhouding (niet zo gemakkelijk als het lijkt).
• de W+/W- verhouding.
• de e/μ verhouding.
• de massas van het Z en andere deeltjes met vergelijkbaar verval vanuit de statistische combinatie in een massa grafiek.
• het aantal mogelijke Higgs gebeurtenissen met 4-lepton en 2-foton verval.

Jouw CMS Masterclass Institute zal deze resultaten samenleggen met de resultaten van andere Masterclass Instituten in een video conferentie. De video conferentie bestaat uit:

• een korte presentatie van de resultaten van elk Masterclass Institute.
• een presentatie van de gecombineerde Z massa plot, bekomen door het samenleggen van de verschillende resultaten, uitgevoerd door de moderators.
• moderatoren zullen de data van alle instituten combineren en een gecombineerde massagrafiek tonen.
• Een Vraag&Antwoord sessie, waar jullie zelf vragen kunnen stellen over hoe de LHC werkt, tot en met wat een deeltjes fysicus zoal doet voor zijn plezier.