Überblick über die Promotion
- Zusammenfassung
Meine Doktorarbeit ist über die Messung der Parameter
Ae, Amu und Atau, die die
Paritätsverletzung der Kopplung des Z0-Boson
an Elektronen, Müonen und Tau-Leptonen beschreiben. Die
Messung wurde mit Hilfe von polarisierten Asymmetrien am
SLD durchgeführt. Ich war beteiligt an der Ersetzung des
alten Vertex-Detektors des SLD `VXD2' durch
`VXD3'. Ich
habe ebenso am BaBar-Experiments gearbeitet, das die
CP-Verletzung im neutralen B-Mesonen System untersuchen
wird. Ich war beteiligt an der Entwicklung des
DIRC, eines
neuartigen Teilchenidentifikationssystem des BaBar,
und untersuchte den Umfang von zu erwartenden
Strahlungsschäden der
`drift chamber' mittels eines an
der Colorado State University gebauten Prototyps.
- SLD
Der `SLAC Linear Collider' (SLC) ist
ein Linearbeschleuniger, der Elektronen und Positronen (die
positiv geladenen Antiteilchen der Elektronen) auf die
Energie von 45.64 GeV beschleunigt. Ein GeV ist das
1.000.000.000-fache der Energie, die ein Elektron nach
Durchlaufen der Spannung von 1 Volt erhält. Sowohl der
Elektronen- als auch der Positronenstrahl fliegen danach
durch einen sogenannten `arc', der ihre Richtungen so
umlenkt, daß sie in der `Collider Hall' frontal
aufeinanderprallen. Die effektive Energie des SLC ist also
91.28 GeV, d.h. das Doppelte der Energie pro Strahl.
Wenn ein Elektron mit einem Positron in der `Collider Hall'
kollidiert, wird diese Energie nahezu vollständig zur
Erzeugung eines Z0-Bosons benützt, eines
Elementarteilchen, dessen Masse der Energie von 91.187 GeV
entspricht. In der Theorie der Wechselwirkungen von
Elementarteilchen, dem sog. Standardmodell, sieht man
dieses Teilchen als Ursache für die schwache
Wechselwirkung, eine der vier bekannten Grundkräfte
der Natur, an. Der SLC und der `SLC Large
Detector' (SLD), der sich am Kollisionsort befindet,
wurden zur Erforschung der Eigenschaften dieses Teilchens
und der schwachen Wechselwirkung gebaut. Eine besondere
Eigenschaft des SLC ist, daß er als einziger
Beschleuniger in diesem Energiebereich den Elektronenstrahl
polarisieren kann, d.h. er kann die Richtung des
Elektronenspins (=quantenmechanische Beschreibung einer
effektiven Drehung des Elektrons um seine eigene Achse)
kontrollieren.
Da die schwache Wechselwirkung nicht spiegelsymmetrisch ist,
treten Asymmetrien bei Erzeugung und Zerfall des Z0
auf. Von diesen Asymmetrien sind Rückschlüsse auf
fundamentale Parameter des Standardmodells möglich. Meine
Doktorarbeit behandelt die
Asymmetrien, die bei Erzeugung
von Z0-Bosonen und bei deren anschließenden Zerfall
in Leptonen auftreten. Leptonen ist ein Sammelname für drei
artverwandte Teilchen, die sich nur in ihrer Masse unterscheiden:
Elektronen, Muonen und Tauteilchen. Die Hypothese der
Leptonen-Universalität verlangt die Gleichheit aller
Eigenschaften von allen drei Leptonen, die Messung der Parameter
für alle drei Leptonen ist also ein wichtiger Test dieser
Hypothese. Ich half beim Schreiben eines Artikels über
diese Messung. Dieser Artikel wurde der Zeitschrift
Physical Review Letters zugesandt. (SLAC-PUB-7418)
Neben dieser Analyse, konzentrierte sich meine Mitarbeit auf
den verbesserten CCD Pixel Vertex-Detektor
`VXD3'. Ein
Vertex-Detektor erlaubt präzise Messungen der Erzeugungs-
und Zerfallsorte von Elementarteilchen und erleichtert damit
die Bestimmung von deren Halbwertszeiten. Da verschiedene
Elementarteilchen oft stark unterschiedliche Halbwertszeiten
besitzen, erleichtert ein Vertex-Detektor außerdem das
Aussortieren von bestimmten Elementarteilchen aus der Masse
der Kollisionsereignisse. VXD3 benützt CCD chips, die hauptsächlich
für elektronische Kameras verwendet werden und in lichtempfindliche Pixel
(=kleine quadratische Flächen, die auf Lichteinfall reagieren) unterteilt
sind. Ein solcher chip besitzt 4000 x 800 Pixel der Größe
0.02mm x 0.02mm. VXD3 ist deshalb der präziseste Vertex-Detektor für ein
Kollisionsexperiment der Art des SLD.
- BaBar
Im Rahmen des Standardmodells verletzt die schwache
Wechselwirkung nicht nur die Spiegelsymmetrie (die als
P-Symmetrie bezeichnet wird), sondern ebenso die sog.
CP-Symmetrie, die die Spiegelsymmetrie mit der Umkehr aller
Ladungsvorzeichen (d.h. Übergang von Materie in
Antimaterie) verbindet. Die Verletzung der CP-Symmetrie wurde
bisher nur im System der neutralen K-Mesonen nachgewiesen.
Eine Untersuchung dieser Symmetrieverletzung im neutralen
B-Mesonen System erfordert eine genaue Vergleichsmessung des
Zerfalls des B0 mit seinem Antiteilchen unter
Berücksichtigung der Zerfallszeit, die sich besser
messen läßt, wenn die B-Mesonen mit einer hohen
Geschwindigkeit erzeugt werden. Der Ringbeschleuniger
`Positron Electron Project II
(PEP II)' am SLAC erreicht dies, indem hochenergetische
Elektronen (9.0 GeV) mit niederenergetischen Positronen
(3.1 GeV) zur Kollision gebracht werden.
Der geplante `BaBar' Detektor wird die Kollisionen auswerten.
Um die CP-Verletzung nachzuweisen, ist es sehr wichtig, die
Teilchen langer Lebensdauer, die im BaBar ihre Spuren
hinterlassen, mit großer Sicherheit voneinander zu
unterscheiden. Ich arbeitete zunächst (1993) für
die
DIRC-Gruppe am Design eines neuartigen Detektors zur
Identifizierung der (quasi-)stabilen Teilchen unter Ausnutzung
des Cherenkov-Effekts, d.h. die Ausstrahlung von Licht durch
hochenergetische Teilchen in einem Medium mit einem
hinreichend großen Brechungsindex. Der `Detector of
Internally Reflected Cherenkov light'
(DIRC) verwendet Quarzstäbe als Cherenkov-Medium und
gleichzeitig als Lichtwellenleiter nach Art der
Glasfasertechnik.
BaBar verwendet eine
`drift chamber' zur Aufnahme der
Teilchenspuren. Ich untersuchte den Umfang und die Auswirkungen
von Strahlungsschäden die beim Betrieb des BaBar an der
`drift chamber' auftreteten werden, mit Hilfe eines 1996 an der
Colorado State University gebauten und von der
Hochenergiephysikgruppe der CSU betriebenen Prototyps. Hierzu
wurde die Effizienz und das Auflösungsvermögen des
Prototyps mit Hilfe von kosmi\-schen Strahlen gemessen, nachdem
dieser mit einer radioaktiven Fe55 Quelle
künstlich gealtert wurde. Ich schrieb Programme, die die
Spuren dieser kosmischen Strahlen rekonstruieren und die
Relation zwischen Driftzeit und Distanz der Zellen der
`drift chamber' messen. Diese Relation ist wichtig, da die
`drift chamber' nur Zeiten messen kann. Die Information jedoch,
die sie liefern muß, ist die Position einer Spur, die zurück
bleibt, wenn ein Teilchen den Detektor durchfliegt. Diese Position
kann von der Distanz zwischen eines Spur-Segments und einer
bekannten Position innerhalb der `drift chamber' bestimmt werden.
Diese Distanz von den gemessenen Zeiten mit Hilfe der oben
genannten Relation bestimmt.
- Forschungsaufenthalt am SLAC
Während meines 15monatigen Aufenthalts am Stanford Linear Accelerator
Center in Stanford, California, USA arbeitete ich hauptsächlich am SLD
Experiment (besonders während des Betriebs des Experiments in der ersten
Jahreshälfte 1996). Ich nutzte diese Zeit außerdem zum
Austausch mit den dort arbeitenden Kollegen (Experimental- und theoretischen
Physikern) sowie mit den zu Seminarvorträgen eingeladenen internationalen
Experten.
- Vorträge und
Veröffentlichungen
Da Experimente in der Hochenergiephysik sehr teuer sind, gibt es bei jedem
Experiment eine große Anzahl von Physikern aus verschiedenen Ländern,
die zusammenarbeiten. BaBar hat etwa 400, SLD ca. 100 Mitarbeiter. Alle
Vorträge und Veröffentlichungen müssen von allen Mitarbeitern
genehmigt werden; ebenso gelten sie als geistiges Eigentum aller Mitarbeiter.
Neben mehreren internen Konferenzen des BaBar- und SLD-Teams nahm ich an zwei
Konferenzen der Division of Particles and Fields (DPF) der American Physical
Society (APS) im August 1994 und August 1996 teil. Bei der DPF 1996 hielt ich
einen Vortrag als Vertreter des SLD-Experiments über allgemeine Asymmetrien
der schwachen Wechselwirkung mit dem Titel `Electroweak Asymmetries at SLD'.
Ich stellte außerdem als Vertreter des SLD-Experimentes meine Arbeit
über Asymmetrien der schwachen Wechselwirkung beim Zerfall in Leptonen bei
der Konferenz der APS in Indianapolis im Mai 1996 vor. Der Titel dieses
Vortrags war `Measurement of Z0 Lepton Coupling Asymmetries'. Schließlich
nahm ich an einer internationalen Konferenz über das Tau-Lepton in Estes
Park, Colorado teil und war an der Organisation dieses Treffens beteiligt.
- EDV
Im Rahmen meiner Mitarbeit für BaBar beschäftigte ich mich häufig
mit Monte-Carlo Simulationsprogrammen. Diese Programme simulieren anhand eines
eingebauten Zufallsgenerators zunächst das Entstehen und Zerfallen der
Teilchen (im sog. event generator) und danach den Meßvorgang im Detektor
unter Berücksichtigung von Meßungenauigkeiten. Ich portierte das in
der Programmiersprache Fortran geschriebene Programm `AsLund' auf die HP
UNIX-Workstation der Hochenergieforschungsgruppe an der Colorado State
University. AsLund ist eine schnelle, aber wenig detaillierte Simulation
für BaBar, die ich danach zum Vergleich des
DIRC mit anderen vorgeschlagenen
Teilchenidentifikationssystemen einsetzte. Für genauere Simulationen wird
das etwas langsamere Programm `BBSim' verwendet, das in den Programmiersprachen
Fortran und C++ geschrieben ist. Ich portierte `BBSim' ebenfalls auf die HP
UNIX-Workstation und paßte Programmteile an das Design des Prototyps 0 des
DIRC an. Anschließend verglich ich die Vorhersagen von BBSim mit den
gemessenen Daten des Prototyps 0. Außerdem war ich beteiligt an der
Entwicklung eines Programms in der Programmiersprache Fortran zur Auswertung
der Daten des Prototyps I.
Für einen Prototyp der drift chamber zur
Untersuchung von Strahlungsschäden schrieb ich Programme in der
Programmiersprache C++, die den Umfang der Strahlungsbelastung
vorhersagen und die Messung der aufgetretenen Schäden gestatten.
Für diesen Zweck errechnet ein Programmteil (Rekonstruktion)
die Spuren kosmischer Teilchen, die mit diesem Prototyp gemessen
werden können, und stellt es grafisch dar. Andere Programmteile
berechnen Effizienz und Auflösungsvermögen des Prototyps.
Programme für SLD sind in den Computersprachen Prepmort
und IDA geschrieben; beide Sprachen sind Fortranvarianten, die eine bessere
Strukturierung der Programme erlauben als Fortran. Außerdem verbinden sie
Fortran mit Jazelle, einer schnellen relationalen Datenbank, die den Zugriff
auf Daten des SLD-Experiments steuert. Neben den Auswertungsprogrammen für
meine Doktorarbeit war ich an der Entwicklung des
Rekonstruktionsprogramms
für den Vertex-Detektor VXD3 beteiligt. Dieses Programm
errechnet anhand der Rohdaten die Bahnen der langlebigen Teilchen durch den
Detektor. Ich war
außerdem für die korrekte Implementierung der richtigen Geometrie und
Materialien des VXD3 in die Monte-Carlo-Simulation von SLD verantwortlich.