A Measurement of the Self-Coupling of Electroweak Bosons

Abstract

Ein fundamentaler Baustein des Standardmodels, des heute am weitesten akzeptierten Models der Elementarteilchenphysik, ist die Selbstkopplung der elektroschwachen Eichbosonen gamma, Z und W. Waehrend andere Vorhersagen des Standardmodels mit hoher Praezision getestet wurden, ist ueber die Staerke der Selbstkopplung der Bosonen wenig bekannt. Erste indirekte Hinweise ueber solche Kopplungen wurden aus praezisen Messungen der Fermionpaarproduktion auf dem Z-Pol gewonnen. Diese Messungen sind sensitiv auf Strahlungskorrekturen. In dieser Analyse werden zum ersten Mal alle verfuegbaren elektroschwachen Praezisionsdaten, die unter anderen bei LEP 1, am SLAC und am TEVATRON gewonnen wurden, benutzt, um in einer globalen Anpassung die Kopplungsstaerken der elektroschwachen Eichbosonen zu ermitteln. Praezise direkte Messungen der Kopplungsstaerke wurden durch die Erhoehung der Schwerpunktsenergie am LEP-Beschleuniger im Jahre 1996 moeglich, die die Paarproduktion von W-Bosonen, e+e- -> W+W-, erlaubte. Zusaetzlich zu diesem Kanal wurde auch noch die Kopplungsabhaengigkeit des Wirkungsquerschnitts der einfach-resonanten W-Produktion, e+e- -> W e nu, und der Photonproduktion, e+e- -> nu nu gamma, benutzt, um die Selbstkopplung der Bosonen zu bestimmen. Zur Analyse wurden Daten, die einer Gesamtluminositaet von 77 pb^-1 entsprechen und bei Schwerpunktsenergien von 161, 172 und 183 GeV in den Jahren 1996 und 1997 mit dem L3 Detektor aufgezeichnet wurden, benutzt. Die Vorhersagen des Standardmodels sind in guter Uebereinstimmung mit allen Messungen. Insbesondere mit der Messung von g_1^Z konnte zum ersten Mal die Existenz des ZWW Vertex experimentell nachgewiesen werden. Zusaetzlich fordert das Standardmodel die Erhaltung der C- und P-Paritaet am ZWW Vertex. Diese Vorhersage wurde durch die Messung getestet und es wurde gute Uebereinstimmung mit der Standardmodelvorhersage gefunden. Die Messung der Kopplungsstaerken in drei unterschiedlichen Kanaelen entspricht der Messung in unterschiedliche Regionen von Impulsuebertraegen. Die Messungen zeigen keine Abhaengigkeit, so dass sowohl das magnetische Dipolmoment als auch das elektrische Quadrupolmoment des W-Bosons aus den Kopplungen hervorgehen. Diese statischen Eigenschaften des W-Bosons geben Informationen ueber dessen Groesse und geometrische Struktur. So folgt aus der Messung das der Radius der W-Bosons kleiner als 10^-18 m ist. Zusaetzlich zu diesen Informationen ueber das W-Boson, konnte der Parameterbereich einer Erweiterung der Standardmodels durch ein sequentielles Z'-Boson eingeschraenkt werden. Ein Model von Klein das die Vereinigung von Kraeften und Materie beschreibt wurde mit 10 Standardabweichungen ausgeschlossen. Zusammenfassung als PostScript-Datei

The couplings between the bosons of the electroweak interaction, gamma, Z and W, is one of the fundamental building blocks of the Standard Model, which was not yet tested with high precision. Indirect hints for the existence of boson self-coupling have been obtained by analysing Z pole data with respect to radiative corrections. This analysis uses for the first time all available electroweak precision data obtained at LEP 1, SLC, TEVATRON and at low energy experiments. The coupling strength between the electroweak gauge bosons is obtained by a global fit to all these data. A precise direct measurement of triple gauge boson couplings became possible in 1996 at LEP 2, where W bosons could be produced in pairs, e+e- -> W+W-. In addition single-resonant W production, e+e- -> W e nu, and single photon production, e+e- -> nu nu gamma, are evaluated with respect to boson self-couplings. In total a luminosity of 77 pb^-1 was collected with the L3 detector at 161, 172 and 183 GeV centre-of-mass energy in the years 1996 and 1997. The Standard Model expectations show good agreement with this measurement. The measurement is the first proof of the existence of a ZWW vertex. The LEP 2 data were further used to limit violation of parity and C-parity at the ZWW vertex. The results of the measurement for the three different channels, corresponding to three different regions of momentum transfer showed no dependence. Thus the magnetic dipole moment and electric quadrupole moment are derived. These two static properties of the W give information on the size and the geometrical form of the W, such that the W radius could be limited to 10^-18 m. In addition the coupling constants were used to limit the phase space of the extension of the Standard Model with a sequential Z' boson in terms of mixing angle and Z' mass. The unified matter theory by Klein is ruled out with more than ten standard deviations. abstract in PostScript