Einleitung

Vorbemerkung

Mit dem Versuch Analyse von $Z^0$-Zerfällen möchten wir Ihnen einen ersten Eindruck von den Arbeitsmethoden der experimentellen Elementarteilchenphysik vermitteln. Ziel des Versuches ist es, Sie mit folgenden Bereichen der Physik vertraut zu machen:

• Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen
• Wechselwirkung von Teilchen mit Materie
• Teilchendetektoren
• Teilchenidentifikation
• Physik an $e^{+}e^{-}$-Speicherringen bei hohen Energien
• Moderne Analysemethoden der Elementarteilchenphysik

Für die Versuchsdurchführung werden Messdaten benutzt, die bei $e^{+}e^{-}$-Kollisionen mit dem OPAL Detektor am LEP-Speicherring aufgezeichnet wurden. Für den Zugang zu den Daten und für deren graphische Darstellung wird ein Unix-Rechner benötigt und zur Verfügung gestellt.

Dieses Skriptum enthält neben der eigentlichen Versuchsanleitung einige Abschnitte über Elementarteilchenphysik und Teilchendetektoren, die für die Versuchsdurchführung und -auswertung notwendig sind.

Als ergänzende und weiterführende Literatur werden darüberhinaus folgende Bücher empfohlen, die auch in der Bibliothek ausgeliehen werden können oder online verfügbar sind.

K. Kleinknecht

Detektoren für Teilchenstrahlung, Teubner Studienbücher 2005

Bethge/Schröder

Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen, Wiley-VCH 2006

Donald H. Perkins

Hochenergie-Physik, Addison-Wesley 1991

Ch. Berger

Elementarteilchenphysik, Springer 2014

Bergmann/Schaefer

Lehrbuch der Experimentalphysik Band 4: Aufbau der Materie, Teil 2, Walter de Gruyter 2019

Halzen/Martin

Quarks & Leptons, John Wiley 1984

Klapdor-Kleingrothaus/Staudt

Teilchenphysik ohne Beschleuniger, Teubner Studienbücher 1995

P. Schmüser

Feynman-Graphen und Eichtheorien, Springer 1988

Falls Sie Interesse an den wissenschaftlichen Veröffentlichungen der OPAL-Kollaboration haben, so finden Sie diese im WWW.

Eine umfassende Darstellung der wissenschaftlichen Ergebnisse der LEP Experimente zur Messung der $Z^0$ Resonanz finden Sie in “Precision electroweak measurements on the Z resonance” (2006)

Anleitung

Diese Versuchsanleitung ist sicher umfangreicher, als Sie erwartet haben, aber lassen Sie sich nicht davon erschrecken, denn ungefähr die Hälfte davon bildet den Anhang. Dort finden Sie als interessierter Student weitergehende Erläuterungen zur Physik und Informationen über das Laboratorium, in dem die von Ihnen untersuchten Daten erzeugt wurden.

An einigen Stellen werden Sie Verweise auf das WorldWideWeb finden. Hier können Sie sich (möglichst vor Praktikumsbeginn!) zusätzliche interessante Informationen holen.

Die Vorkenntnisse bei diesem Versuch dürften sehr unterschiedlich sein. Wenn Sie einen in der Anleitung verwendeten Begriff nicht kennen, können Sie ihn im Glossarium nachschlagen. Wenn Sie bereits eine Teilchenphysikvorlesung gehört haben, reicht es, wenn Sie das erste Kapitel überfliegen.

Versuchsablauf

Vorbereitung

Dieser Versuch ist sehr abstrakt, da Sie den Versuchsaufbau nicht sehen können, sondern nur die Auswertung machen sollen. Daher ist es wichtig, dass Sie Ihre Hausaufgaben gemacht haben. Lesen Sie diese Anleitung und führen Sie die geforderten Berechnungen (selber!) durch.

Teil I: Graphische Analyse von einzelnen Ereignissen

Das Ziel des ersten Teils des Versuches ist, Sie mit den Charakteristika der verschiedenen Zerfallskanäle des $Z^0$-Bosons vertraut zu machen, so dass Sie diese unterscheiden können. Außerdem sollen Sie sich den Detektoraufbau verdeutlichen, die zur Verfügung stehenden Messgrößen kennenlernen und verstehen, wie sie zustandekommen (Achten Sie auf mögliche Fehlerquellen).

Teil II: Statistische Auswertung großer Datenmengen

Aufbauend auf den Kenntnissen, die im ersten Teil gewonnen wurden, sollen Sie nun anhand von charakteristischen Größen die verschiedenen Zerfallskanäle voneinander trennen. Aus den Ereignisraten können Sie die partiellen Wirkungsquerschnitte und daraus die Resonanzparameter des $Z^0$-Bosons (Masse, Zerfallsbreite) bestimmen. Dies ermöglicht den Schluss auf die Anzahl leichter Neutrinogenerationen.

Zusätzlich für Master-Studenten :
Anschließend sollen Sie noch die Vorwärts-Rückwärts-Asymmetrie der Reaktion $e^{+} e^{-} \rightarrow \mu^{+} \mu^{-}$ bei verschiedenen Energien bestimmen. Dadurch erhalten Sie die Asymmetrie am Peak und können den Weinbergwinkel berechnen.