Z-Boson
Die Austauschteilchen, welche für die schwache Wechselwirkung verantwortlich sind, sind die drei Botenteilchen W+-, W-- und Z0-Teilchen. Die Z-Teilchen werden bei den Proton-Proton-Kollisionen im LHC auf unterschiedliche Weise erzeugt. Die folgende Bildergalerie stellt Dir diese vor. Dabei kommen Feynman-Diagramme zur Veranschaulichung zum Einsatz. Lerne diese Diagramme hier genauer kennen.

Zerfall des Z-Bosons
Das Z-Boson hat eine große Masse (91,2 GeV/c2, etwa 100 mal schwerer als ein Proton) und zerfällt augenblicklich nach seiner Erzeugung. Es kann auf viele verschiedene Arten zerfallen. Alle werden Dir vorgestellt, wenngleich wir uns nur für zwei davon interessieren werden.

Wichtig ist, sich zu vergegenwärtigen, dass das Z-Boson elektrisch neutral ist. Daher muss auch die Summe der Ladungen seiner Zerfallsprodukte null ergeben. Das besagt das Gesetz über die Ladungserhaltung. Folgende Zerfallswege existieren:

  1. In zehn Prozent der Zerfälle entsteht ein Paar geladener Leptonen: Elektron-Positron, Myon-Antimyon oder Tauon-Antitauon. Alle Paare kommen gleich häufig vor.
  2. In 20 Prozent aller Zerfälle entsteht aus dem Z-Boson ein Paar von elektrisch neutralen Leptonen: ein Neutrino-Antineutrino-Paar. Unser Detektor kann allerdings keine Neutrinos erkennen, da diese mit nahezu keinem Material wechselwirken. Daher sind Neutrinos für uns unsichtbar. Wir können sie allerdings nachweisen, wenn nach der Kollision in der Gesamtbilanz Energie oder transversaler Impuls "fehlen".
  3. In 70 Prozent aller Zerfälle entsteht ein Quark-Antiquark-Paar. Diese sind als Bündel von Teilchenspuren zu erkennen, die wir "Jets" nennen.
Von allen möglichen Zerfallswegen werden wird nur den Zerfall des Z-Bosons in ein Elektron-Positron-Paar oder in ein Myon-Antimyon-Paar untersuchen. Diese Zerfälle werden durch die folgenden Feynman-Diagramme verdeutlicht:



Ereignisse mit einer solchen Signatur im Detektor wie sie in den letzten beiden Diagrammen dargestellt sind, werden wir in unserer Datenstichprobe als Signalereignisse betrachten. Denn sie sind ein eindeutiger Hinweis darauf, dass ein Z-Teilchen kurzzeitig existiert hat. Alle anderen Ereignisse sind als Untergrund zu klassifizieren. Schauen wir nun in einer letzten Bildergalerie auf mögliche Untergrundereignisse und die zugrundeliegenden Prozesse:



Untergrundereignisse
Wenn Protonen kollidieren, können nicht nur Z-Teilchen, sondern zum Beispiel auch W-Teilchen oder top-Quarks entstehen. Diese zerfallen ebenfalls sofort wieder. Folgende Prozesse lassen sich dabei beobachten:

  • Du siehst also: Ein W-Teilchen zerfällt typischerweise in ein geladenes Lepton - und nicht in zwei, wie ein Z-Boson. Außerdem entsteht noch ein Neutrino. Wie Du zuvor erfahren hast, erkennst Du ein Neutrino an der fehlenden Energie in der Gesamtbilanz.
  • Noch komplizierter wird es beim Zerfall in ein Paar aus top-Quark und Antitop-Quark. Dabei entstehen auch zwei geladene Leptonen, aber ebenso Neutrinos und Quarks. Die zusätzlichen Jets (von den Quarks) und die fehlende Energie (von den Neutrinos) erlauben es, diesen Ereignistyp vom Zerfall eines Z-Bosons zu unterscheiden.


Jetzt ist es Zeit zum Identifizieren von Ereignissen mit HYPATIA!