Skylant W ar Z bozonams atsiranda dvi dalelės vadinamos leptonais. Elektronai, miuonai ir neutrinai yra leptonai. Taip pat ir jų antidalelės yra leptonai.

Kadangi Z bozonas turi 0 elektrinį krūvį, jis gali skilti į du priešingo elektrinio krūvio leptonus, pavyzdžiui, į elektroną (e^–) ir pozitroną (e⁺). W bozono elektrinis krūvis yra +1 arba –1, todėl W bozonai gali skilti į elektroną ar miuoną kartu su neutrinu, kuris neturi elektrinio krūvio. Šis pasakojimas gerokai gilesnis... bet kol kas tiek pakanka.

• Higgs'o bozonas skyla į du Z bozonus.
• Higgs'o bozonas skyla į du fotonus.

Kai W⁺ arba W^– susidaro dviejų protonų susidūrime, CMS viduje, jis praktiškai iškart skyla. Du leptonai (elektronas arba miuonas ir atitinkamos rūšies neutrinas) iškeliauja iš susidūrimo taško, toldami nuo protonų judėjimo ašies, į patį detektorių. Elektronai ir miuonai yra stebimi kaip trekai vidiniame detektoriuje, kurį vadiname „trekeriu“. Trajektorijos (dar vadinamos „trekais“) išlinksta stipriame CMS solenoido magnetiniame lauke: teigiamą krūvį turinčios dalelės trajektorija išlinksta pagal laikrodžio rodyklę, o neigiamo krūvio dalelės trajektorija – prieš laikrodžio rodyklę, kai ekrane stebima įvykio x-y projekcija. Neutrinai yra neužregistruojami, tačiau trūkstamas dalelių sistemos judesio kiekis yra vaizduojamas kaip violetinis trekas ir paprastai priskiriamas neutrinui.

Spustelėkite paveikslėlį kairėje, kad jį padidintumėte ir galėtumėte atidžiau apžiūrėti. Ar galite pastebėti „trūkstamo judesio kiekio“ vektorių kiekviename iš šių įvykių? Kiekviename įvykyje atidžiai pažiūrėkite į kito treko išlinkimą. Kuris įvykis labiausiai atitinka W + skilimą? W – skilimą? Trumpas žalias trekas A įvykyje nurodo elektroną. Ilgesnis raudonas trekas B įvykyje, kuris prasiskverbia iki raudonų blokų, nurodo miuoną.

Kai Z bozonas susidaro, jis taip pat praktiškai iškart skyla. Čia du leptonai yra arba miuonų pora (μ^–μ⁺), arba elektronų pora (e^–e⁺). Neutrinas nesusidaro, todėl neturėtų būti jokio trūkstamo judesio kiekio. Praktiškai, vieno susidūrimo („įvykio“) metu įvyksta daug procesų, ir detektorius gali kažką praleisti, todėl trūkstamas judesio kiekis yra įmanomas.

Spustelėkite paveikslėlį kairėje, kad jį padidintumėte ir galėtumėte atidžiau apžiūrėti. Kuris įvykis labiausiai atitinka Z bozono skilimą į miuonus? Į elektronus? Kuris galėtų būti W bozono įvykis? Kaip galite atskirti W kandidatą nuo Z kandidato su trūkstamu judesio kiekiu?

Yra keletas būdų, kuriais Higgs'o bozonas gali skilti. Mus domina du atvejai:

• Higgs'as skyla į du Z bozonus. Z bozonai skyla į leptonus, kaip aprašyta aukščiau, taigi gauname 4 leptonų trekus: dvi miuonų poras (2 × μ^–μ⁺), dvi elektronų poras (2 × e^–e⁺), arba vieną miuonų ir vieną elektronų porą (μ^–μ⁺e^–e⁺).
• Higgs'as skyla į du fotonus. Fotonai neturi krūvio, todėl yra nematomi trekeryje. Vietoje to jie palieka daug energijos elektromagnetiniame kalorimetre (ECAL).

Spustelėkite paveikslėlį kairėje, kad jį padidintumėte ir galėtumėte atidžiau apžiūrėti. Abu įvykiai yra Higgs'o kandidatai. Viename iš jų yra du fotonai (du žali energijos stulpai ECAL detektoriuje be jokių atitinkamų trekų). Kitame – galimas Higgs'o skilimas į du Z bozonus. Kaip manote, kuris yra kuris?

Kiekviename įvykyje protonų judėjimo ašis (angl. „beamline“) yra išilgai ECAL ir HCAL tinkleliu vaizduojamų cilindrų bendros ašies. Kuris yra geresnis W kandidatas? Geresnis Z kandidatas? Kurioje vietoje susiduria protonai, o kurioje vietoje susidariusi dalelė skyla?

Prieš pradedant

Jeigu nesate susipažinę su iSpy ir CIMA:

• Eikite į „Įvado“ puslapį.
• Remkitės įrašyta ekrano sesija, skirta iSpy ir CIMA, bei CMS pamokos dokumentacija (anglų kalba).
• Paklauskite savo mentoriaus ar mokytojo.

Įvykių analizė

Darbui turėsite:

• Įvykių vaizduoklį (iSpy-webgl)
• CMS instrumentą analizės pamokai (CIMA)
• Kolegą

Jūs su kolega tiriate pavaizduotą įvykį, jį interpretuojate ir naudojate Excel skaičiuoklę stebėjimų užrašymui. Skaičiuoklė padės jums rasti pagrindinius santykius ir sudaryti Z bozono kandidatų masės histogramas. Jūsų mentorius padeda visai grupei suprasti rezultatus prieš juos nusiunčiant vaizdo konferencijos moderatoriams.

Jūs su kolega turėsite ištirti 100 įvykių. Kai nagrinėjate įvykį, klauskite:

• Ar stebimieji leptonų trekai yra miuonų ar elektronų?
• Ar tai W, Z ar Higgs'o kandidatas? O gal tai kitoks (angl. „zoo“) įvykis?
• Jei tai labiau W kandidatas, skilo W⁺ ar W^–?
• Jei tai labiau Z kandidatas, ar galite identifikuoti du leptonų trekus ir juos panaudoti pradinės („motininės“) dalelės invariantinės masės skaičiavimui?
• Jei tai labiau Higgs'o kandidatas, ar tai 4-leptonų ar 2-fotonų susidarymas?

Bus vietos viso to užrašymui CIMA aplinkoje.


Rezultatai

Jūsų mentorius padės apjungti visų studentų rezultatus (iki 10000 įvykių), kad meistriškumo pamokos institucija gautų šią bendrą informaciją:

• W/Z įvykių santykį (ne taip paprasta kaip atrodo).
• W⁺/W^– įvykių santykį.
• e/μ įvykių santykį.
• Z bozono ir kitų, panašiai skylančių, dalelių masę iš apibendrinto masės grafiko, apjungusio visą turimą statistinę informaciją.
• Galimų Higgs'o įvykių su 4 leptonais ir 2 fotonais skaičių.

Jūsų CMS meistriškumo pamokos institucija kartu su kitomis tarptautinės pamokos institucijomis dalyvaus vaizdo konferencijoje. Vaizdo konferencijos veiklos yra tokios:

• Kiekviena meistriškumo pamokos institucija pateiks savo rezultatus aptarimui.
• Moderatoriai apjungs visų institucijų duomenis ir parodys bendrą masės grafiką.
• Klausimų ir atsakymų sesija, kurioje galite klausti visko: pradedant klausimu „kaip veikia LHC?“ ir baigiant – „ką elementariųjų dalelių fizikas veikia laisvalaikiu?“.