Oddziaływania słabe eksperymenty UA1, DELPHI Uniwersalność leptonowa

Prezentacja na temat: "Oddziaływania słabe eksperymenty UA1, DELPHI Uniwersalność leptonowa"— Zapis prezentacji:

1 Oddziaływania słabe eksperymenty UA1, DELPHI Uniwersalność leptonowa
Bozony pośredniczące W i Z eksperymenty UA1, DELPHI Uniwersalność leptonowa przykłady: rozpady W; czasy życia mionu i taonu oraz jąder w rozpadach beta Sprzężenia leptonowe Sprzężenia kwarkowe - mieszanie kwarków przykłady: rozpad kwarków b i t (oraz jego odkrycie) Anihilacja Oddziaływania NC (z wymianą bozonu Z) - zachowanie zapachów D. Kiełczewska, wykład 6

2 Oddziaływania słabe Reakcje z wymianą prądów Reakcje z wymianą prądów
naładowanych: CC (charged current) Reakcje z wymianą prądów neutralnych: NC (neutral current) masy bozonów pośredniczących: PDG/2008: D. Kiełczewska, wykład 6

3 (komora pęcherzykowa) 1973 Z wierzchołka nie wychodzi żaden mion
D. Kiełczewska, wykład 6

4 Bozony W i Z Odkryte w reakcjach: Rozpady leptonowe dające największą
gdzie X to stany hadronowe dozwolone przez prawa zachowania Odkryte w reakcjach: Rozpady leptonowe dające największą szansę identyfikacji: Odkryte w 1983 w CERN. Kolajder GeV eksperymenty: UA1 i UA2 tło: 107 przypadków na 1 przyp. sygnału energia musi być odpowiednio duża, bo każdy z kwarków niesie tylko część energii. D. Kiełczewska, wykład 6

5 D. Kiełczewska, wykład 6

6 Rozpad Z0 w detektorze Delphi
W zderzeniu e+e- duże pędy poprzeczne D. Kiełczewska, wykład 6

7 Wyniki UA1 – rozpady Z0 PDG/2008: Masa niezmiennicza e+e- czas życia:
D. Kiełczewska, wykład 6 czas życia:

8 Wyniki UA1 niezachowanie pędu poprzecznego pT czas życia:
D. Kiełczewska, wykład 6

9 Wyniki CMS D. Kiełczewska, wykład 6

10 Uniwersalność leptonowa
W eksperymentach zmierzono stosunki rozgałęzień (te same dla kanałów sprzężonych ładunkowo): Expected: 3 kolory Uniwersalność leptonowa: oddziaływania odpowiedzialne za rozpady są takie same, a różnice mogą się brać wyłącznie z kinematyki. D. Kiełczewska, wykład 6

11 Uniwersalność leptonowa
Porównamy rozpady: W W Różnią się tylko rodzinami leptonowymi w dolnym wierzchołku. Przypomnijmy z teorii Fermiego: Stała sprzężenia Fermiego: D. Kiełczewska, wykład 6

12 Uniwersalność leptonowa c.d.
Porównujemy: i Pomijamy masy produktów rozpadów bo: Rozważymy prawdopodobieństwo rozpadów mierzone szerokością: Z analizy wymiarowej wynika, że a K jest bezwymiarową stałą: B to stosunek rozgałęzień dla danego rozpadu: B=1 dla rozpadu mionu B=0.178 dla rozpadu taonu zgodnie z danymi ! D. Kiełczewska, wykład 6 uniwersalność leptonowa OK

13 Czasy życia w rozpadach beta
Podobne argumenty prowadzą do wniosku, że dla rozpadów beta jąder: obowiązuje podobne wyrażenie na czas życia jądra: Np: gdzie Q to tzw „Q reakcji” albo energia dostępna dla produktów rozpadu a K to inna stała bezwymiarowa, która tu zależy jednak od obu jąder. D. Kiełczewska, wykład 6

14 Stała sprzężenia słabego (leptony)
W oddz. elmgt każdy wierzchołek wnosił do przekroju czynnego wkład proporcjonalny do: Ąnalogicznie dla oddz. słabych wprowadzamy stałą sprzężenia: gdzie stała odgrywa rolę ładunku e. Uniwersalność leptonowa: Dla W o masie 80 GeV wszystkie 3 cząstki mogą być rzeczywiste! D. Kiełczewska, wykład 6

15 Stała sprzężenia słabego (leptony)
Np: rozważaliśmy czasy życia leptonów: W W Różnice obserwowanych czasów życia wynikają tylko z różnic mas Uniwersalność leptonowa D. Kiełczewska, wykład 6

16 Stała sprzężenia słabego (leptony)
Z poprzedniego wykładu: Propagator bozonu pośredniczącego: przyjmując uniwersalność leptonową Z danych eksper. stała Fermiego: dla: czyli siły oddziaływań słabego i elmgt są podobne, a różnice przy niskich energiach biorą się z masy bozonu W D. Kiełczewska, wykład 6

17 Stała sprzężenia słabego (kwarki)
Z symetrii leptonów i kwarków możnaby oczekiwać: Np: Ale obserwowane są też: Aby zrozumieć zmierzone prawd. obu rozpadów: Hipoteza Cabibbo: Należy wprowadzić mieszanie kwarków (przez kąt Cabibbo): D. Kiełczewska, wykład 6

18 Stała sprzężenia słabego (kwarki)
Symetria kwarkowo-leptonowa stosuje się do dubletów: = + oraz: D. Kiełczewska, wykład 6

19 Stała sprzężenia słabego (kwarki)
Porównanie prawdop. rozpadów umożliwia wyznaczenie kąta Cabibbo: po uwzględnieniu detali dostaje się: Rozpady hadronów powabnych (zawierających kwarki c): najczęściej wśród produktów rozpadów są dziwne hadrony: D. Kiełczewska, wykład 6

20 Mieszanie kwarków Mieszanie dwóch rodzin kwarków można zapisać:
- kąt Cabibbo Mieszanie trzech rodzin opisuje macierz CKM (Cabibbo, Kobayashi, Maskawa) Symetria leptonowo-kwarkowa stosuje się do dubletów: Stałe sprzężenia: Nagroda Nobla w 2008 dla Kobayashiego i Maskawy D. Kiełczewska, wykład 6

21 Mieszanie kwarków – kwark b
Wg. Particle Data Group ( Gdyby istotnie to kwark b byłby stabilny - byłoby: Mezony B (zawierające kwark b) rozpadają się z czasem ~10-12s, czyli dłuższym niż czas życia leptonu tau: ~10-13s, pomimo, że energetycznie rozpad b jest znacznie korzystniejszy, bo moglibyśmy się spodziewać: W czyli istotnie musi być: D. Kiełczewska, wykład 6

22 Mieszanie kwarków – kwark t
Masa kwarka t: czyli możliwy jest rozpad: W ale skoro: oraz Z analizy wymiarowej szerokość: Dokładniej: D. Kiełczewska, wykład 6

23 W przeciwieństwie do innych kwarków top za krótko żyje, żeby utworzył hadrony.
D. Kiełczewska, wykład 6

24 Odkrycie kwarka top (1996) D. Kiełczewska, wykład 6

25 Poszukiwanie kwarka top w CMS
D. Kiełczewska, wykład 6

26 Produkcja kwarków top w CMS
Zmierzono przekrój czynny na produkcję par: arXiv: D. Kiełczewska, wykład 6

27 „Zabronione” rozpady słabe
?? dozwolony „zabroniony” rozpad możliwy tylko w wyższym rzędzie rachunku zaburzeń – więcej słabych wierzchołków Eksperymentalnie: D. Kiełczewska, wykład 6

28 Anihilacja (elmgt) D. Kiełczewska, wykład 6

29 Anihilacja Konieczne 3 kolory, żeby zrozumieć dane charmonium
bottomium krzywa uwzględnia jeszcze emisję gluonu D. Kiełczewska, wykład 6

30 Procesy elektro-słabe
Dla dominuje: Dla Formacja i rozpad rezonansu (Z jest rzeczywistą cząstką) D. Kiełczewska, wykład 6

31 Oddziaływania słabe NC zachowują zapach kwarków (np. dziwność)
dozwolony zabroniony graf Z doświadczenia: FCNC (Flavor Changing Neutral Currents) – b. rzadkie- dodatkowe słabe wierzchołki D. Kiełczewska, wykład 6

32 Wierzchołki oddziaływań słabych
Dla oddziaływań CC mieliśmy: przybliżenie 2 dubletów Analogicznie możemy się spodziewać: D. Kiełczewska, wykład 6

33 Oddziaływania słabe NC - zachowanie zapachu
Mechanizm GIM (Glashowa-Iliopoulosa i Maianiego) Zostają więc wierzchołki: Można to uogólnić na 3 generacje: oddz. NC nie zmieniają zapachu kwarków (w najprostszych diagramach) ale nie ma: D. Kiełczewska, wykład 6

34 Mechanizm GIM (Glashowa, Iliopoulosa, Maianiego)
Problem: nie obserwuje się rozpadu: Obliczone prawd. wg. tego diagramu dużo większe niż obserwowany limit: Pomysł: skasować lewy diagram przez prawy: Tak GIM przewidzieli istnienie kwarka c w 1970. D. Kiełczewska, wykład 6

35 Rozpady Z0 Z uniwersalności leptonowej można się spodziewać nastepujących stosunków rozgałęzień: 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 3 : 3 : 3 : 3 : 3 ( m(top)>m(Z) ) Z sprzęga się inaczej z leptonami naładowanymi niż z neutrinami. A tymczasem zmierzono: Z0 nie jest po prostu neutralnym bozonem W Unifikacja oddz. słabych i elmgt D. Kiełczewska, wykład 6