Keuzecollege Hoge EnergieFysica Katholieke Universiteit ... - EHEF

Het proton is veel zwaarder en verliest in een circulaire machine veel minder Bremstrahlung
energie en kan dus makkelijker bij hoge energie worden gehouden. De invariante massa is
s = ( E p
+ E e
) 2 – ( p p
– p e
) 2 = 850 2 – 790 2 = 313 GeV .
De maximale Q 2 is Q 2 = 4 × E p
× E e
= 4 × 30 × 820 = 98400 GeV 2 .
2
Q min
= 2E p
E e
( 1 – cosθ) = 2E p
E e
( 1 – 0,
995) = 244 GeV 2
4.6 In het ZEUS experiment uit de vorige vraag zijn ook gevallen gezien die duidelijk diep-inelastische
verstrooiing waren, maar waarbij geen elektron in de eindtoestand zat. Hoe kan dat ?
Door geladen stroom gevallen waarbij een W wordt uitgewisseld en het electron in een neutrino
wordt omgezet.
4.7 Er zijn ook experimenten gedaan waarbij een inkomende neutrinobundel is gebruikt. Hoe zou
je zo’n neutrinobundel kunnen maken ? In deze experimenten was het doel altijd een hoeveelheid
materiaal die stil lag in het laboratorium. Waarom is dat zo ? Hoe herken je een diep-inelastische
verstrooiing van een neutrino aan een proton of neutron in zo’n blok materiaal, a) als
de interactie een geladen stroom is, b) als de interactie een neutrale stroom is ? Welk deeltje
wordt in ieder van de twee gevallen uitgewisseld ?
Het makkelijkst is een neutrinobundel te maken door pionen te produceren uit proton botsingen
met een trefplaatje en vervolgens de pionen te laten vervallen in muonen en neutrino’s.
Bij neutrino experimenten is altijd veel doelmateriaal nodig om aan een hoge luminositeit te
komen, die nodig is omdat de werkzame doorsnedes voor neutrino verstrooiing zo klein zijn.
Bij een geladen stroom interactie wordt het neutrino weer in een vaak energetisch geladen lepton
(muon) omgezet dta makkelijk is te detecteren.
Bij neutrale stroom interacties zijn de fragmentatieproducten van het proton of neutron
waaraan wordt vestrooid zichtbaar en hun impuls schijnbaar niet gebalanceerd. Met de wet van
behoud van (vier-)impuls is dan de impuls van het verstrooide neutrino uit te rekenen.
Bij een geladen stroom wordt een W uitgewisseld and bij een neutrale stroom een Z.
(Bij neutrino’s wordt nooit een foton uitgewisseld, omdat het er niet aan koppelt.)
4.8 Op het moment wordt in Nederland de deelname besproken aan een experiment, ANTARES,
dat neutrino’s van heel hoge energie uit het heelal moet gaan waarnemen. Dit experiment
gebruikt de zee als een doel en detekteert over een volume van een km 3 geladen deeltjes die
worden gemaakt als gevolg van een neutrino botsing met de kernen in een watermolecuul.
Geef voor elk van de drie soorten neutrino’s aan wat de interactieproducten zijn die worden
gedetekteerd. Geef een voorbeeld voor elk van de neutrino soorten hoe die met hoge energie in
het heelal zouden kunnen worden geproduceerd. Verwacht je van alle neutrinosoorten evenveel
met hoge energie in het heelal ?
De enige redelijke manier om neutrino’s te detecteren is als ze een geladen stroom interactie
hebben met een kern. In dat geval verandert het neutrino in een geladen lepton en voor electron-neutrino,
muon-neutrino en tau-neutrino zijn dat electron, muon en tau, respectievelijk.
Voorbeelden van neutrinoproductie zijn electron-neutrino’s van kernfusie processen (protonen
van waterstof moeten in neutronen veranderen om zwaardere elementen te kunnen maken en
bij dat process komen electron-neutrino’s vrij); muon-neutrino’s worden voornamelijk geproduceerd
uit pion verval en de pionen worden gemaakt in sterke nucleaire interacties. Die kunnen
plaats vinden als materiaal wordt versneld in allerlei mechanismen die denkbaar zijn, zoals
acretie-disks, etc.; tau-neutrino’s kunnen eigenlijk alleen in vrij exotische processen worden
gemaakt, zoals annihilatie van supersymmetrische deeltjes (zie hoofdstuk 7).
150 Collegedictaat Hoge Energiefysica