De $Z^0$ Resonantie

Een van de vele spectaculaire successen van het Standaard Model was de voorspelling van niet alleen het bestaan, maar ook de precieze eigenschappen (bijvoorbeeld de massa) van neutrale stromen (overgebracht door het $Z^0$ boson). De elektrozwakke theorie is in volledige overeenstemming met alle data voor elektromagnetische en zwakke interacties.

Figure 42: Schematische weergave van het Proton Synchrotron, Super Proton Synchrotron, en de Large Electron-Positron Collider. De nieuwe Large Hadron Collider (LHC), een proton-proton botser met 14 TeV zwaartepuntsenergie, zal in de LEP tunnel geplaatst worden. LHC wordt in 2005 in bedrijf genomen.

De unificatie van beide wisselwerkingen wordt enkel manifest bij hoge energieën. De en $Z^0$ bosonen zijn hoogst instabiele deeltjes en werden oorspronkelijk gevonden als resonanties in proton-antiproton botsingen, bijvoorbeeld in de reacties

(70)

De resonanties werden gedetecteerd via hun leptonisch verval, in experimenten met een speciaal hiervoor gebouwde collider (de SPS) op CERN. Figuur 42 toont een schematische weergave van de diverse versnellers op CERN.

Figure 43: Schematische weergave van de Stanford Linear Collider, SLC. Elektronen en positronen worden versneld tot bijna 50 GeV in de lineaire versneller. Vervolgens worden de bundels gefocusseerd tot diameters kleiner dan één $\mu$m en frontaal aan elkaar verstrooid.

De oude collider dient nu als injector van de Large Electron-Positron Collider LEP. Elektronenbundels met een energie van 200 MeV worden geconverteerd naar positronen, versneld tot 600 MeV in een tweede lineaire versneller, en geïnjecteerd in een elektron positron accumulator ring, EPA. De bundels worden dan geïnjecteerd in het Proton Synchrotron (PS) en versneld tot 3.5 GeV voordat ze geïnjecteerd worden in de Super Proton Synchrotron (SPS) om versneld te worden tot 20 GeV, de injectie energie voor de LEP ring. De SPS kan ook bedreven worden als een proton-antiproton collider op 310 GeV. De eerste metingen werden met de SPS uitgevoerd door twee onafhankelijke experimenten, genaamd UA1 (Underground Area 1) en UA2 op CERN en dit onderzoek leidde tot de ontdekking van de voorspelde vectorbosonen.

Vervolgens heeft men ook in de $e^+e^-$ reactie de $Z^0$ resonantie gemeten. Deze resonantie treedt op bij een energie van GeV, en dat vereiste de ontwikkeling van nieuwe versnellers. Er werden twee colliders gebouwd, de Stanford Linear Collider van het Stanford Linear Accelerator Center in Stanford, U.S.A. (zie fig. 43) en de Large Electron-Positron Collider op CERN.

Figure 44: Werkzame doorsnede voor elektron-positron annihilatie in de buurt van de $Z^0$-resonantie. De data zijn van de ALEPH, DELPHI, L3, en OPAL collaboraties. De curves tonen de voorspellingen van het Standaard Model voor twee (streep), drie (getrokken) en vier (stippel) families van lichte neutrino's.

De bundelenergieën van de botsende elektronen en positronen werden dusdanig gekozen, dat de werkzame doorsnede maximaal was voor de productie van $Z^0$ bosonen. Men spreekt hier dan ook wel van $Z^0$ fabrieken. De SLC machine was de eerste die resultaten produceerde, maar LEP leverde een hogere productiesnelheid (ongeveer 1000 events per uur). Dit liet toe om met grote precisie de massa, breedte en diverse vervalkanalen van de $Z^0$ te meten. De totale breedte van de $Z^0$-resonantie demonstreert dat er drie en niet meer dan drie families van lichte neutrino's ($\nu_e$, $\nu_\mu$, en $\nu_\tau$) bestaan. Figuur 44 toont data van de LEP experimenten op CERN.