W and Z Bosons and the 3 Neutrino Families

Sedat Altinpinar

Theorie/Prediction of Neutrinos

-Prediction of “a“ Neutrino Pauli, ß-decay

eepn

Experimental Discovery of the Neutrinos

Cross Section for Neutrino reactions

• Cowan and Reines 1959

24310 cm

Discovery of the µ Neutrino

• Until the end of the '50s : Only one Generation of Neutrinos

• Bruno Pontecorvo (1913-1993): Why doesn't annihilate the Neutrino and Antineutrino which at the µ- Decay arise?

• The solution could be that the Neutrinos are different

e

The first HE Neutrino Experiment

• Melvin Schwartz (*1932) was researching about Neutrinos• He was interested in the ratio

e

e

For the case, there is only one type of Neutrinos,the ratio should be 10-4

• This value could already at that time be excluded (< 10-8 )

• Schwartz had the same idea like Pontecorvo

Spark Chamber

• The neutrinos react with the Neutrons of the Aluminium

• The arrised charged particles leave tracks of ionised Neons.

• A Scintillator is triggering the High Voltage

• The tracks are visible as a row of sparks

)(

epn

pn

The Brookhaven Experiment at 1960

Distinction between e- und µ-

CharakteristicTrack

e- loose more energy

µ- are radiating less due to theirhigher mass

Result

• 1014 Neutrinos traversed the detector

• 29 Neutrino reactions were measured

• All produced are Muons

•If there would exist only one generation of Neutrinos there should arrise in equal amount electrons and muons

e

Discovery of the Tau Neutrino

• Discovery of the Tau Lepton 1975

• Postulation of the Tau Neutrino

• Discovery of the Tau Neutrino in 2000 with DONUT (Direct Observation of NU Tau) at Fermilab

Why is it so difficult to discover the ?

• Neutrinos appear through their charged Lepton partner

• Lifetime of τ is 300 fs

• 's are rare: From 1013 Neutrinos only 103 have reacted, 4 from them were

pn

Results from DONUT

• Es wurden 4 Tau Neutrinos nachgewiesen!

Prediction of W Z Bosons

Glashow-Weinberg-Salam Modell: Electroweak force is mediated by the

W+, W-, Z0 bosons.

Prediction of mass

Discovery at CERN

W+ /W- /Z0: Where and how shall one search?

Measurements with charged and neutral currents (i.e. Muon decay, Neutrino scattering) ergeben Abschätzungen für die Massen für das W± bzw. Z0:

MW ≈ 80GeV und MZ ≈ 90GeV

In particle collisions it can be produced new particles up to a mass of M =

Production in e+ e- - collisions? (LEP in Planning)

but: e+ + e- → Z0 → ... ✔aber: e+ + e- → W+ + W- → ... ✘

(Schwerpunktsenergie von ≈ 160GeV notwendig)

s

Am CERN bereits vorhanden: Protonenbeschleuniger SPS mit fixem Target

Protonen werden dort auf eine Energie von EP ≈ 300 GeV beschleunigt ≈ 25 GeV

Neue Idee: Protonen und Antiprotonen aufeinander schießenVorteile:

• Antiquark als Valenzquark im Antiproton vorhanden• Nur ein Beschleunigungsring nötig

Problem: Woher Antiprotonen?

Erzeugung durch Beschuss eines Targets mit Protonen:sehr ineffizient! ( N anti-P ≈ 10-6 ∙ N P)

s

Daher: Notwendigkeit der Speicherung der Antiprotonen um sie zu sammeln

neues Problem: Antiprotonen sind „heiß“ (haben große Impulsverteilung)

Idee von Simon van der Meer:stochastische Kühlung

Stochastic Cooling

Pickup

Kicker

---- ----

++++++++-

Ein Teilchen, das nicht auf der Sollbahn liegt,

influenziert auf dem Pickup ein Signal

Dieses Signal wird im Kicker zur Korrektur der

Teilchenbahn verwandt

S.v.d.Meer, 1972

Principle of stochastic cooling

Nachweis von W±→e±+ νe

•Das W zerfällt in zwei Teilchen, ein hochenergetisches e±(oderMyon) und ein Neutrino. Zerfall back to back im Schwerpunktssystem des W.

•Da das Neutrino nicht detektiert wird, benutzt man “missing pT” (Impuls!) alsSignatur.

Der fehlendeTransversalimpuls ist betragsmäßig gleich dem des e±

und hat das umgekehrte Vorzeichen =>Man muß den (transversal-) Impuls/Energie allerTeilchen bestimmen

•Zerfälle des W in du,...quark treten häufiger auf, sind aber schwer vom QCD Untergrund zu trennen.

Der UA1 Detektor

Zentraldetektor

Elektromagmetisches Kalorimeter

Hadronen Kalorimeter

Magnets

Myonen Kammern•zwei Ebenen aus je vier Lagen Driftröhren

eW

ET>15GeV (1,5 * 106events)

Isolierte e-Spur im DC mit pT> 7GeV (Faktor100 weniger)

Energiedeposition in Hardronen Kalorimeter>600MeV (346 events)

Ereignisse ohne Jets(55 events)

Ereignisse in der Mitte des Detektors(43 events)

43 events wurden von Hand angeschaut und für gut befunden

Missing energy

Bestimmung der Masse des W

Messung des Transversalimpulses und Transversalenergie

)cos1(22veT

eTT ppm

Events per [GeV]

2Wm

][GeVpT

Jakobi Peak

Transversale Masse

Nachweis von Z0→e++ e-

•Suche nach isolierten e±Spuren: hohe Energie im e/m Kalorimeter (>25GeV) und nur wenig Energie im Hadronen Kalorimeter (<800MeV)

•Ausschluss aller events, wenn alle überigenTeichlenzusammen pT>3GeV

•4 events nach den cuts

Gleiches Schema für µ+µ-liefert insgesamt neun events

Nachweis von Z0→e++ e-

Energy Deposition

Invariante Masse des Z

Bestimmung der Masse des Z zu:mZ = (93,9±2,9) GeV/c2

Precision Studies at LEP

What happens in e- e+collisions

• Zu vermessen:– Form der Resonanz – Zerfallsraten für verschiedene

Endzustände

• Was sind nun die möglichen Zerfallskanäle?

• Z “Weglänge” 2 x 10-18 m

Z Decay Channels:

Z -> e+e- (Bhabha-Scattering)

Z -> m+m-

Z -> t+t-

Z ->

Z -> Quark Anti-Quark

e+e- : Bhabha_Scattering

m+m- : Muon Produktion

t+t- : Tau Production

t+t- : Tau Production

Pions,Kaons

+

u

dW-

W+

-

+

Z

e+

e-

Quark-Pair Production

Quark-Pair Production

10-15 m

How can we see Neutrinos if they are invisible

total

Hadrons

total

e

ZHadrons M

2

12

The Production Probability for Hadrons =

Hadrons

lll

HadronsZ

ll

leptonhadtotal

RRM

RN

N

312

3

2

= Resonance Width

=2 (from Theory)

Relative Number (Ratio) of leptonic zu hadronic Events

-> “Counting Experiment” •Count hadronic Events

•Count leptonic Events

0083.09835.2 N

Precise Measurements

00023.023192.0sin

037.0544.41

/0024.04944.2

/0021.01871.91

2

0

2

2

W

had

Z

Z

nb

cGeV

cGeVM

2

22

222

1sin

sin

Z

WW

W

M

M

eg

...and other observables consistent with the Standard Model

What for are these precise measurements

Example : Prediction of the Top-Quark Mass

For this we consider again the reaction e+e- -> Hadrons...

e+

e-Quark

Z

Anti-Quark

This is a Quantum - Process

Experimentel precisely

measured…

Reminding Some Quantum Mechanics The Double Gap - Experiment

Photon - orElektron Source

A1

A2

Inte

rfere

nce-S

tructu

re in

Inte

nsity

Dis

tribu

tion

QM gives Probability Distribution for Aufprallort :

P = | A1 + A2 |2 = |A1|2 + |A2|2 + 2ReA1*A2

Interference!!

Consider all possible ways, |sum their Amplitudes|2

That's Why...

e+

e-Quark

ZAnti-Quark e+

e-

Z

Quark

Anti-Quark

Top

Anti-top

Z+

A1 A2

e+

e-Quark

Z

Anti-Quark

Higgs

A3

+ + ...

E2 m2 + p2

Sum all possible

Ways, to come to the same final state

HiggsHiggstoptop

hadtot

mmfAmmfA

AAAAAA

AAAAA

AAAP

log)(

Re2...

...Re2

...

32

2

2*1

2

1

2

3

2

2

2

1

2*1

2

3

2

2

2

1

2

321

If Measurement precision is high -> sensitivity to these Terms -> sensitivity to Top- and even Higgs-Mass

So...

Mtop = 173.2 +/- 4.5 GeV/c2

Mhiggs = 77 +69 -39 GeV/c2

Direct Discovery at Fermilab :

Mtop = 174.3 +/- 5.1 GeV/c2

RESULT: