Überblick über die Promotion

Zusammenfassung
Meine Doktorarbeit ist über die Messung der Parameter A_e, A_mu und A_tau, 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.