International Physics Masterclasses

Suchen und Entdecken – anhand der Masse

In diesem Abschnitt machst Du Dich vertraut mit den „Werkzeugen“, die Dir helfen, mit Deiner Arbeit fortzufahren. Dazu gehören physikalische Methoden und mathematische Kniffe. Mit ihnen wirst Du neben dem Z-Boson auch andere bereits bekannte Teilchen wiederentdecken, nach dem Higgs-Boson suchen und damit letztendlich das Unbekannte erforschen!

Um wirklich sicher sein zu können, dass ein bestimmtes Teilchen in der Kollision entstanden ist, wirst Du Dich eines Tricks bedienen: Nicht nur das Erkennen der Zerfallsprodukte (wie ein Paar aus Myon und Antimyon, Elektron und Positron oder zwei Photonen) ist wichtig. Das Bestimmen der Masse des zerfallenden Teilchens ist der Schlüssel.

Masse ist eine spezifische Eigenschaft von Elementarteilchen, die zusammen mit anderen Eigenschaften dazu genutzt werden kann, ein Teilchen eindeutig zu identifizieren.

Um nachvollziehen zu können, wie man eine Masse rekonstruieren kann, musst Du wissen, was eV (Elektronenvolt) und was Impuls ist und was Vektoren sind. Nutze die folgenden Links, um etwas über diese Themen zu lernen: Maßeinheit der Energie, Impuls or Vektoren.

Wir verwenden Einsteins Masse-Energie-Formel und wandeln sie um unter Beachtung einiger grundlegender Naturgesetze: Energie und Impuls bleiben in allen Prozessen der Natur erhalten. Ihre Werte sind vor und nach einer Kollision oder eines Zerfalls gleich.

Es ergibt sich eine nützliche Gleichung, die es uns ermöglicht, auf der Grundlage einiger Parameter die Masse des ursprünglichen, zerfallenden Teilchens (Mutterteilchen genannt) zu ermitteln. Diese erläutern wir auf dieser Seite.

Dies ist die Gleichung für den Zerfall eines Z-Bosons in ein Paar aus Elektron und Positron:

m ist die Ruhemasse, E die Gesamtenergie, p der Impuls and c die Lichtgeschwindigkeit. Der Index e steht für Elektron, Z für Z-Boson.

Und wie suchst Du nun nach dem Higgs-Boson? Der Zerfall des Standard Modell Higgs-Bosons in ein Paar aus Elektron und Positron bzw. Myon und Antimyon ist sehr unwahrscheinlich. Deswegen schauen wir lieber nach den Zerfällen in entweder ein Paar aus Photonen oder vier Leptonen.

Für den Zerfallskanal H→γγ (Higgs-Boson zerfällt in ein Paar aus Photonen), nutze die vorangestellte Formel und ersetze darin Z durch H und e durch γ. Fertig!

Im Fall H→llll (Higgs-Boson zerfällt in vier Leptonen), nutze die selbe Formel, addiere die Energien und Impulse von vier statt zwei Leptonen und ersetze Z durch H.

Im nächsten Abschnitt geht es weiter.