Będziemy badać przypadki o różnych własnościach, by:
- wybrać najlepszych kandydatów na bozony W, Z, Higgsa i inne,
- rozróżnić kandydatów na W+ i W-,
- rozróżnić między rozpadami na elektrony i na miony,
- określić podstawowe stosunki rozpadów,
- stworzyć rozkłady masy leptonów w przypadkach z dwoma i czterema leptonami.
Podstawy
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.
Przypadki z jednym leptonem oraz brakującym pędem
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.
|
Przypadki z dwoma leptonami (tego samego typu)
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?
|
Przypadki z czterema leptonami (dwie pary leptonów tego samego typu wychodzących z tego samego wierzchołka)
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?
|
Przypadki w programie iSpy-webgl
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:
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:
- 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.
|