Rozpadające się bozony W i Z produkują dwie cząstki zwane leptonami. Elektrony, miony, neutrina oraz ich antycząstki są leptonami.

Bozon Z ma zerowy ładunek elektryczny, może więc rozpadać się na dwa leptony o przeciwnych znakach (np. e⁺ i e^–). Bozon W ma ładunek +1 lub -1, a więc może rozpadać się na jeden elektron lub mion oraz neutrino, które pozbawione jest ładunku. Sprawa rozpadów jest bardziej skomplikowana, ale tyle informacji na razie wystarczy.

Bozon Higgsa może rozpadać się na kilka sposobów. Najłatwiejszy do zaobserwowania będzie rozpad bozonu Higgsa na dwa bozony Z.

W naszych danych takich rozpadów jest niewiele.

Kiedy w zderzeniu proton-proton produkowany jest bozon W+ lub W- rozpada się on natychmiast. Dwa powstające z niego leptony (elektron lub mion plus neutrino) opuszczają miejsce rozpadu wewnątrz rury akceleratora i przelatują przez detektor. Ślady elektronów i mionów są widoczne w detektorze wewnętrznym. W CMS są one zakrzywiane w płaszczyźnie x-y przez silne pole magnetyczne: cząstki dodatnio naładowane w prawą stronę, ujemnie naładowane w lewą stronę. Neutrina nie sa wykrywane, jednak można im przypisać całkowity brakujący pęd obliczony w danym przypadku i zaznaczany jako fioletowy ślad.

Kliknij na obraz po lewej stronie by go powiększyć i obejrzeć dokładniej. Czy możesz znaleźć kierunek brakującego pędu w obu przypadkach? Przyjrzyj się zakrzywieniu drugiego sladu. W którym przypadku mamy do czynienia z rozpadem W+? a w którym W-? Krótki zielony ślad w "Event A" oznacza elektron. dłuższy czerwony ślad w "Event B" dochodzący do czerwonych prostokątów oznacza mion.

Także bozony Z produkowane w CMS rozpadają się natychmiast, w tym wypadku na parę mionów (μ^–μ⁺) lub parę elektron-pozyton (e^–e⁺). Nie są produkowane neutrina, nie powinno być więc brakującego pędu. Zazwyczaj w przypadkach zachodzi wiele różnych procesów i detektor może czegoś nie zarejestrować, więc pewien brakujący moment może wystąpić.

Kliknij na obraz po lewej stronie by go powiększyć i obejrzeć dokładniej. Który z przypadków jest najprawdopodobniej rozpadem Z na miony, a który na elektrony? Który mógłby być rozpadem W? Jak odróżnić przypadek z kandydatem na W od takiego z kandydatem na Z z pewnym brakującym pędem?

Jest kilka możliwości otrzymania przypadków z czterema leptonami. Nas interesują dwie z nich:

• Bozon Higgsa rozpadający się na dwa bozony Z. Cząstki Z rozpadają się na leptony, jak pokazane powyżej, czyli otrzymujemy cztery ślady leptonów: dwie pary mionów (2 x μ-μ+), dwie pary elektron-pozyton (2 x e-e+) lub jedną parę mionów i jedną parę elektron-pozyton (μ-μ+e-e+).
• Inne kombinacje cząstek jakie możemy znaleźć w naszych danych

Wybierz obrazek z lewej strony by na jego powiększeniu przyjrzeć mu się dokładniej. Oba przedstawione przypadki to kandydaci na bozon Higgsa. W jednym przypadku są dwa fotony (dwa zielone sygnały w kalorymatrze ECal nie mające odpowiadających im śladów). W drugim mamy prawdopodobnie rozpad bozonu Higgsa na dwa bozony Z (a każdy z bozonów Z rozpadł się natychmiast na parę elektron-pozytron). Które obrazki przedstawiają te przypadki?

W każdym z przypadków wiązka akceleratora jest wspólną osią cylindrycznych detektorów ECAL i HCAL. Który przypadek zawiera lepszego kandydata na W? A który na Z?

Przed rozpoczęciem pracy

Jeśli nie znasz jeszcze programów iSpy oraz CIMA:

• Przejdź do Wstępu.
• Zapoznaj się z filmem omawiającym działanie iSpy i CIMA oraz opisem ćwiczeń CMS Masterclass.
• Zadaj pytania prowadzącym ćwiczenia.

Analiza przypadków

Będziemy korzystać z:

• programu wyświetlającego przypadki
  • iSpy-webgl do analizy przypadków z dwoma leptonami
  • Zaawansowany iSpy do analizy przypadków z dwoma lub czterema leptonami (rekomendowany)
• CMS Instrument for Masterclass Analysis:
  • „Klasyczny” CIMA do analizy przypadków z dwoma leptonami
  • Zaawansowany CIMA do analizy przypadków z dwoma lub czterema leptonami (rekomendowany)
• pomocy kolegi/koleżanki
.

Razem z kolegą/koleżanką obejrzyjcie obraz przypadku, zinterpretujcie go i wykorzystajcie arkusz danych do zapisania swoich obserwacji. Arkusz danych pomoże znaleźć podstawowe stosunki rozpadów i obliczyć masę kandydata na bozon Z. Informacje o masie od wszystkich grup są łączone przez pakiet tworzący wykresy dla całej Masterclass. Prowadzący pomoże wszystkim zrozumieć wyniki zanim zostaną wysłane do moderatora wideokonferencji.

Razem z kolegą/koleżanką będziecie mieli 100 przypadków do zbadania. Przy sprawdzaniu przypadku odpowiedz na pytania:

• Czy zaobserwowany ślad leptonu pochodził od mionu czy od elektronu?
• Czy mamy do czynienia z przypadkiem z pojedynczym leptonem, z dwoma leptonami czy z czterema leptonami? Czy może z innym przypadkiem? A może jest to "egzotyczny" przypadek?
• Jeśli jest to przypadek z jednym leptonem, czy jest to kandydat na bozon W+ czy W–?
• Jeśli mamy przypadek z dwoma leptonami, czy możesz rozpoznać dwa ślady leptonów i użyć ich do obliczenia masy cząstki od której pochodzą?
• Jeśli podejrzewamy, że w przypadku są cztery leptony, czy możesz rozpoznać ich ślady i użyć ich do obliczenia masy cząstki od której pochodzą?

Są odpowiednie miejsca w arkuszu do zanotowania tych odpowiedzi.


Wyniki

Prowadzący pomoże połączyć wyniki wszystkich uczestników ćwiczenia (maksymalnie 3000 przypadków) by otrzymać sumaryczne rezultaty dla:

• stosunku występowania W/Z (trudniejszego do uzyskania niż by się mogło wydawać)
• stosunku występowania W⁺/W^–
• stosunku e/μ
• masy bozonu Z i innych cząstek rozpadających się podobnie do niego uzyskane z rozkładu masy wszystkich kombinacji par leptonów
• masy cząstek, które ostatecznie rozpadały się na cztery leptony – wraz z prawdopodobną ich identyfikacją.

Wyniki ćwiczenia CMS Masterclass z waszej instytucji zostaną połączone z innymi w czasie wideokonferencji, podczas której:

• każda z instytucji dostarczy swoje wyniki do dyskusji
• moderatorzy połączą dane ze wszystkich instytucji i pokażą łączny rozkład masy
• w końcowej części będzie można zadawać dowolne pytania: od tego jak działa LHC do pytań co fizycy zajmujący się cząstkami elementarnymi robią w ramach rozrywki.