Bestimmung der Massen der elektroschwachen Eichbosonen bei L3

Rosenbleck, Christian; Böhm, Albrecht

doi:1656

Bestimmung der Massen der elektroschwachen Eichbosonen bei L3 = Measurement of the Masses of the Electroweak Gauge Bosons at L3

Rosenbleck, Christian (Author)

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Rosenbleck

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangVIII, 163 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Böhm, Albrecht (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-10-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-16562
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61492/files/Rosenbleck_Christian.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Elektron-Positron-Wechselwirkung (frei) ; LEP (frei) ; L3-Detektor (frei) ; Standard-Modell (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit wird die Messung der Massen der W- und Z-Bosonen, die im Standardmodell der Teilchenphysik als Überträger der schwachen Wechselwirkung fungieren, beschrieben. Die Masse der Bosonen wird dabei aus der Kinematik der Zerfallsprodukte dieser Bosonen bestimmt. Als Grundlage dienen Daten, die mit dem L3-Experiment am Large Electron Positron Collider (LEP) in den Jahren 1997 bis 2000 bei Schwerpunktsenergien, sqrt(s), zwischen 183 GeV und 209 GeV aufgenommen wurden. Die Masse des Z-Bosons, mZ, war zum Zeitpunkt dieser Analyse bereits mit hoher Genauigkeit bekannt; sie wurde bereits früher von der L3-Kollaboration zu mZ = 91,1898 +- 0,0031 GeV bestimmt. Die Bedeutung dieser Analyse stellt aus diesem Grunde nicht die Bestimmung des Wertes von mZ an sich dar, vielmehr kann die Analyse als Kontrolle der Messung der Masse des W-Bosons genutzt werden, da die Methoden in weiten Bereichen ähnlich sind; alternativ kann sie aufgrund der Kenntnis von mZ auch als Bestimmung der mittleren Schwerpunktsenergie am Wechselwirkungspunkt des L3-Experiments interpretiert werden. Die Masse des Z-Bosons wird in dieser Arbeit zu mZ = 91,272 +- 0,046 GeV bestimmt. Interpretiert man dieses Resultat als Messung der mittleren Schwerpunktsenergie, so ergibt sich eine Abweichung von Delta sqrt(s) = -175 +- 96 MeV von dem von der LEP Energy Working Group ermittelten Wert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Analyse zur Bestimmung der Masse der W-Bosonen, mW, beschrieben. Diese Masse ist nicht nur ein wichtiger Parameter des Standardmodells, ihr Wert ist auch wichtig bei der Überprüfung von Zusammenhängen im Standardmodell. Durch den Higgs-Mechanismus hängen die Massen mW und mZ über den schwachen Mischungswinkel theta_W zusammen: cos(theta_W) = mW/mZ. Andererseits wird der Mischungswinkel durch die schwachen Kopplungen g und g' auch schon bei Annahme masseloser Bosonen definiert: cos(theta_W) = g/sqrt(g^2+(g')^2), so dass es einen direkten Zusammenhang zwischen den Kopplungen und den Massen mW und mZ gibt. Weiterhin können die direkten Messungen der Parameter des Modells benutzt werden, um Größen abzuleiten, die bisher nicht experimentell zugänglich sind, wobei die wichtigste Größe zur Zeit die Masse des noch nicht entdeckten Higgs-Bosons, mH, ist. In dieser Arbeit wurde besonderes Augenmerk auf die Bestimmung von systematischen Unsicherheiten bei der Messung von mZ gelegt. Dabei werden zum einen Detektoreffekte betrachtet, zum anderen wurde starkes Gewicht auf das Studium von Effekten gelegt, die durch die Hadronisation der Quarks aus dem W-Zerfall hervorgerufen werden. Beispiele sind Unsicherheiten in der produzierten Anzahl von Kaonen und Protonen und Wechselwirkungen im Endzustand der Produktion von Paaren von W-Bosonen, hier im Besonderen Bose-Einstein-Korrelationen und Colour Reconnection. Durch die genaue Untersuchung der systematischen Effekte konnte die Unsicherheit im Vergleich zu vorläufigen Analysen deutlich reduziert werden. Die Masse der W-Bosonen wird in der vorliegenden Analyse zu mW = 80,242 +- 0,057 GeV bestimmt. Kombiniert man dieses Resultat mit früheren Ergebnissen des L3-Experiments, so ergibt sich ein Wert von mW = 80,270 +- 0,055 GeV. Häufig wird der sogenannte rho-Parameter rho = mW^2/(mZ^2*cos^2(theta_W)) benutzt, um abzuschätzen, ob das Standardmodell konsistent ist. Im Standardmodell gilt rho = 1. Mit dem der Präzisionsmessung von mZ, dem oben genannten Wert von mW und dem ebenfalls bei L3 gemessenen Wert von theta_W ergibt sich rho = 0,9937 +- 0,0024, was einer Abweichung von 2,6 sigma von 1 entspricht. In der Kombination mit den Ergebnissen der anderen drei LEP-Experimente ALEPH, DELPHI und OPAL und den beiden TEVATRON-Experimenten CDF und D0 ergibt sich aktuell eine W-Masse von mW = 80,392 +- 0,029 GeV für die Masse des W-Bosons. Zusammen mit weiteren Messungen wird für die Masse des bisher nicht entdeckten Higgs-Bosons ein Wert von mH = 85 +39 -28 GeV vorhergesagt.

This thesis presents the measurement of the masses of the carriers of the weak force in the Standard Model of Particle Physics, the gauge bosons W and Z. The masses are determined using the kinematics of the bosons' decay products. The data were collected by the L3 experiment at the Large Electron Positron Collider (LEP) at centre-of-mass energies, sqrt(s), between 183 GeV and 209 GeV in the years 1997 to 2000. The mass of the Z-boson, mZ, is already known very precisely: The L3 collaboration determined it to be mZ = 91.1898 +- 0.0031 GeV from a scan of the Z resonance. Therefore the main aim of this analysis is not the determination of the numerical value of mZ; instead the analysis is used to cross-check the measurement of the W boson mass since the methods are similar. Alternatively, the analysis can be used to measure the mean centre-of-mass energy at the L3 interaction point. The Z-boson mass is determined to be mZ = 91.272 +- 0.046 GeV. If interpreted as measurement of the centre-of-mass energy, this value means a shift of Delta sqrt(s) = -175 MeV compared to the value determined by the LEP Energy Working Group. The second part of this analysis describes the measurement of the mass of the W-boson, mW. This mass is not only a prominent parameter of the Standard Model, it is also of great importance when checking the consistency of the model. The masses mW and mZ are related to the weak mixing angle, theta_W, by the Higgs mechanism: cos(theta_W) = mW/mZ. On the other hand, the weak mixing angle is defined by the weak couplings g and g' of the SU(2)xU(1) gauge symmetry: cos(theta_W) = g/sqrt(g^2+(g')^2. Therefore, there is a direct relation between the masses mW and mZ and the couplings g and g'. This relation can be tested by using the precise measurements of mW and mZ and the mesurements of other parameters of the Standard Model which lead to a measurement of cos(theta_W). By a study of the radiative corrections one can determine from these measurements the value of the mass of Higgs boson, mH. Not only the determination of the numerical value of mW is of great importance, but also the study of systematic uncertainties of the measurement. The main error sources are detector effects and effects from the hadronisation of the W bosons. Examples are uncertainties in the number of kaons or protons and interaction between the decay products of two hadronically decaying W bosons, known as Bose Einstein Correlations and Colour Reconnection. The study of these effects led to a noticeable reduction of the uncertainty compared to preliminary analyses. The W-boson mass is determined to be mW = 80.242 +- 0.057 GeV in this analysis. If combined with the L3 results at lower centre-of-mass energies, the final W boson mass value is mW = 80.270 +- 0.055 GeV. The rho parameter is defined as rho = mW^2/(mZ^2*cos^2(theta_W)), being equal to 1 in the Standard Model. Using the value of mZ obtained in the Z resonance scan, the final value for mW and the value of theta_W, rho is obtained to be rho = 0.9937 +- 0.0024, yielding a 2.6 sigma deviation from 1.Combining the L3 value for mW with the results of the LEP experiments ALEPH, DELPHI, and OPAL and the TEVATRON experiments CDF and D0 yields a W boson mass of mW = 80.392 +- 0.029 GeV. Together with other measurements this determines the best value of the Higgs-boson mass to be mH = 85 +39 -28 GeV.

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