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. Am häufigsten wirst Du beobachten, dass ein Higgs-Boson in zwei Z-Bosonen zerfällt.

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?

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein Ereignis mit vier Leptonen zu erhalten. Wir wollen hier zwei Fälle betrachten:

• Ein Higgs-Boson zerfällt in zwei Z-Bosonen. Die Z-Teilchen zerfallen wiederum in Leptonen, wie oben beschrieben, so dass wir vier Leptonspuren sehen: zwei Myon-Paare (2 x μ-μ+), zwei Elektron-Paare (2 x e-e+), oder ein Myon- und ein Elektron-Paar (μ-μ+e-e+).
• Andere Teilchenkombinationen, die wir in unseren Daten entdecken können.

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:
  • "Klassisches" iSpy-webgl für 2-Lepton-Analysen)
  • Fortgeschrittenes iSpy für 2,4-Lepton- Analysen (für die International Masterclasses empfohlen)
• CMS Instrument für Masterclass Analysen:
  • "Klassisches" CIMA für 2-Lepton-Analysen)
  • Fortgeschrittenes iSpy für 2,4-Lepton- Analysen (für die International Masterclasses empfohlen)
• Partner

Gemeinsam mit Deinem Partner arbeitest Du mit dem Event Display, untersuchst Ereignisse, interpretierst sie und nutzt CIMA, um Eure Beobachtungen festzuhalten. CIMA hilft Euch dabei, Verhältnisse zu bestimmen und Histogramme zu erstellen. 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 Ereignis mit 1, 2 oder 4 Leptonen? Oder etwas anderes? Ist es ein "Zoo" Ereignis?
• Falls es ein einzelnes Lepton ist: Ist es ein W+ oder W- Kandidat?
• Wenn es sich um ein Dilepton-Ereignis handelt, kannst Du die beiden Lepton-Spuren identifizieren und sie verwenden, um die invariante Masse des Mutterteilchens zu bestimmten?
• Sollte es ein 4-Lepton-Ereignis sein? Kannst Du die vier Lepton-Spuren identifizieren und sie verwenden, um die invariante Masse des Mutterteilchens zu bestimmten?

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 von anderen Teilchen mit ähnlichem Zerfallsmuster aus der statistischen Kombination im Dilepton-Histogramm.
• Die Massen der Mutterteilchen, von denen die 4-Lepton-Ereignisse stammen, und die möglichen Identitäten der Teilchen.

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?