Produktion von W- und Z-Bosonen

Die gemessenen inklusiven Wirkungsquerschnitte multipliziert mit den leptonischen Verzweigungsverhältnissen für die W⁺-Produktion. Die theoretisch berechneten Werte sind überlagert. Die theoretischen Rechnungen sind unter Benutzung verschiedener Parametrisierungen der Parton-Verteilungsfunktionen durchgeführt.

Die Produktion von W- und Z-Bosonen stellt einen weiteren kritischen Test der QCD dar. Obwohl diese Bosonen in führender Ordnung über den elektroschwachen Drell-Yan-Prozess erzeugt werden, führen QCD-Korrekturen zu einer Erhöhung des Wirkungsquerschnitts von etwa 25%. Die Korrekturen sind bis einschließlich der zweiten Ordnung der Störungstheorie berechnet worden.

Bereits im Oktober 2010 wurde von der ATLAS-Kollaboration die erste inklusive Wirkungsquerschnittsmessung für W-Bosonen am LHC publiziert, die mittlerweile mit einem größeren Datensatz verbessert worden ist. Basierend auf dem gesamten im Jahre 2010 genommenen Datensatz wurden die inklusiven Wirkungsquerschnitte für die Produktion von W⁺- und W^--Bosonen und Z-Bosonen gemessen.

Aufgrund der größeren Anzahl von u-Valenzquarks gegenüber d-Valenzquarks werden mehr W⁺- als W^--Bosonen erzeugt. Auch für die W-Produktion stimmen die theoretischen Rechnungen sehr gut mit den gemessenen Werten überein. Die bislang erreichte Präzision für die Messung liegt bei ±4.3% und ist durch Unsicherheiten in der Luminosität und experimentelle systematische Unsicherheiten dominiert. Mittlerweile wurden die Wirkungsquerschnitte für die W⁺-, W^-- und Z-Produktion differentiell als Funktion der Pseudorapidität bestimmt. Diese Messungen stellen wichtige Eingangsgrößen dar, um die Verteilungsfunktionen der Partonen im Proton, die nicht im Rahmen der QCD berechnet werden können, weiter einzuschränken. Diese Verteilungen werden bereits jetzt in neueren Parametrisierungen benutzt und liefern insbesondere wichtige Informationen zum u/d-Verhältnis. An diesen Messungen haben FSP-Gruppen der Universitäten Berlin, Bonn, Freiburg und Mainz sowie das DESY signifikant mitgearbeitet.

Im Jahre 2011 wurden auch erstmals am LHC die Zerfälle der Vektorbosonen in Endzustände mit Tau-Leptonen nachgewiesen und die entsprechenden Wirkungsquerschnitte gemessen. Sowohl bei der W→ττ als auch bei der Z→ττ Messung haben deutsche Gruppen aus Bonn, Dresden und Freiburg führende Rollen eingenommen, wobei auf der starken Beteiligung in der Tau-Performance während der letzten Jahre aufgebaut werden konnte. Diese Messungen stellen wichtige Vorstufen für die Suchen nach Higgs-Bosonen in Endzuständen mit Tau-Leptonen dar.