Когда W или Z-бозон распадается, он рождает две частицы, называемые лептонами. Электроны, мюоны и нейтрино – все это лептоны, как и их античастицы.

Поскольку Z-бозон имеет нулевой заряд, он может распадаться на два лептона с противоположным зарядом (например, е+ и е-). W-бозоны имеют заряд +1 или -1, поэтому W может распадаться на один электрон или мюон плюс нейтрино, не имеющий заряда. Но это длинная история... для начала достаточно и этого.

• распад бозона Хиггса на два Z-бозона.
• распад бозона Хиггса на два фотона.

Когда в протон-протонном столкновении внутри CMS рождается W+ или W-, то W быстро распадается. Образовавшиеся в результате два лептона (электрон или мюон плюс нейтрино) покидают точку распада выходят за пределы линии пучка, попадая в сам детектор CMS. Электроны и мюоны обнаруживаются в виде треков во внутреннем детекторе. Частицы отклоняются в сильном магнитном поле в CMS: по часовой стрелке – положительно заряженные, против часовой стрелки – отрицательно заряженные (если смотреть в полоскости х-у на дисплее событий). Нейтрино не детектируются, однако недостающий импульса (обычно приписываемый нейтрино) в системе показывается в виде желтой стрелки.

Выберите изображение слева, чтобы получить увеличенную версию для более детального рассмотрения. Можете ли Вы найти вектор «недостающего импульса» в каждом из этих событий? Посмотрите внимательно на кривизну «другого» трека в каждом событии. Где вероятнее всего изображен распад W+, а где W-? Короткий желтый трек в Событии А обозначает электрон. В Событии В более длинный красный трек, выходящий за пределы красных ячеек, обозначает мюон.

Когда Z-бозон рождается в CMS, он тоже мгновенно распадается. В данном случае, два лептона – это либо пара мюонов (μ- μ+), либо пара электронов (е- е+). Нейтрино не образовалось, следовательно, потери импульса не должно быть. На практике, в любом событии происходит много всего, и детектор может что-то упустить, так что потеря части импульса все же возможна.

Выберите изображение слева, чтобы получить увеличенную версию для более детального рассмотрения. Где вероятнее всего изображен распад Z на мюоны? Z на электроны? Где изображено событие W? Как отличить кандидата на W от кандидата на Z, который может иметь недостающую энергию?

Существуют несколько вариантов распада бозона Хиггса. Мы рассмотрим два:

• Распад Хиггса на два Z-бозона. Z-частицы распадаются на лептоны, как указано выше, так мы получаем четыре трека лептонов: две пары мюонов (2 х μ-μ+), две пары электронов (2 х е-е+), или одну пару мюонов и одну пару электронов (μ-μ+e-e+).
• Распад Хиггса на два фотона. Фотоны не имеют заряда, поэтому не видны в трекере. Вместо этого они оставляют следы (энергию) в электромагнитном калориметре (ECAL).

Выберите изображение слева, чтобы получить увеличенную версию для более детального рассмотрения. Оба эти события – кандидаты на бозон Хиггса. Одно из событий показывает 2 фотона (2 зеленых столбика энергии из Электромагнитного калориметра (ECal) без соответствующих треков). Другой показывает возможный распад Хиггса на два Z-бозона (в данном случае, каждый Z быстро распадается на два электрона). Как вы думаете, что есть что?

В каждом событии пучок проходит вдоль оси симметрии каркасных цилиндров Электромагнитного и Адронного калориметров. Какое из событии является лучшим кандидатом на W? На Z? Где происходит столкновение и распад частиц в каждом случае? Узнать больше о событиях CMS.

Прежде чем начать

Если вы не знакомы с iSpy-webgl перейдите на страницу Введение или попросите Вашего наставника или учителя помочь Вам.

• Screencast
• Documentation

Проанализируйте события

Вы будете работать с:

• Экраном событий (iSpy-webgl)
• Инструментом CMS для анализа мастер-классов (CIMA)
• Партнером

Вы с партнером изучите экран событий, интерпретируете его и занесете результаты Ваших наблюдений в электронную таблицу, чтобы оформить свои наблюдения. Электронная таблица поможет вам найти ключевые коэффициенты и рассчитать массы кандидатов на Z-бозон. Данные по массе объединяются для всей организации, участвующей в Мастер-классе, и заносятся в гистограмму. Ваш наставник поможет всей группе понять результаты, прежде чем они отправятся к модераторам видеоконференции.

Вы с партнером рассмотрите 100 событий. Когда вы анализируете событие, задайте следующие вопросы:

• Являются ли наблюдаемые треки лептонов следами мюонов или электронов?
• Видите ли Вы кандидата на W, Z или бозон Хиггса? Или это «зоопарк» событий?
• Если это, вероятнее всего W, то W+ или W-?

В CIMA будут специальные места для записи всех ответов.


Результаты

Наставник поможет вам объединить результаты всех студентов (до 10000 событий), чтобы получить следующие результаты Мастер-класса Учреждения, как единое целое:

• отношение W/Z (не так просто, как кажется).
• отношение W+/W-.
• отношение е/μ.
• массу Z и других частиц с аналогичными распадами из статистической комбинации в графике масс. Можете ли вы найти следы Хиггса?

Ваше учреждение, принимающее участие в Мастер-классе CMS, объединится другими участниками в видеоконференции. Во время видеоконференции:

• Каждое Учреждение кратко представит свои результаты.
• Модераторы объединят данные, полученные всеми учреждениями, и покажут сводный график масс.
• Каждый сможет задать любые вопросы, начиная от того, как работает LHC (Большой адронный коллайдер), заканчивая вопросами о том, как развлекаются физики.