Vorlesung4_nov2003
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Standardmodell Invarianz der Natur unter Phasentransformationen in SU(2)LU(1)Y verlangt 4 Eichbosonen, W±, Z, g • Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung • Extrem erfolgreiche Beschreibung aller bekannten elektromagnetischen und schwachen Phänomene Standardmodell Jedoch ein grundlegendes Problem bleibt: die Symmetrie muß gebrochen werden! • Das Photon ist masselos • Die W- und Z-Bosonen sind 80, 90 mal so schwer wie das Proton Annahme: Feld mit Potential mit 2 Minima Naturgesetze (Potential, Lagrangedichte, Bewegungsgleichungen) rechts-linkssymmetrisch. Gleichgewichtszustand ist es nicht! Teilchen wählt eines der beiden Minima Links-Rechts-Symmetrie ist gebrochen. Der Higgsmechanismus Lösung des Symmetriebrechungsproblems Führe ein Feld mit rotationsinvariantem (i.e. symmetrischen) Potential ein, das viele nicht bei Null liegende Minima hat niedrigster Energiezustand der Theorie: Teilchen wählt ein beliebiges Minimum der Zustand des Systems hat nicht mehr die ursprüngliche Symmetrie... Die Symmetrie als solche geht verloren, erscheint aber als Masse der W- und Z-Bosonen. Die Prozedur wird "Spontane Symmetriebrechung" (SSB) genannt. Der Higgsmechanismus 2 unabhängige Felder 1, 2. Schreibe Lagrangedichte um auf neue Felder (h, x ), die Fluktuationen um den gewählten Grundzustand darstellen: h= 1 - m/lx= 2. 2 Bewegungsrichtungen: 1) auf/ab entlang des Potentials; - massives Higgs (h) 2) In der Ebene; Richtung wurde gewählt. Dabei verschwindet masseloses Feld x(GoldstoneBoson). Der zusätzliche Freiheitsgrad erscheint in der longitudinalen Komponente von Am (zunächst masseloses Eichfeld mit 2 Freiheitsgraden, transversale Polarisation). m/l Wähle als Grundzustand: 1 min = m/l 2 min = A quasi-political explanation of the Higgs Boson For Mr. Waldegrave David Miller, Department of Physics and Astronomy, University College, London 1. The Higgs Mechanism Imagine a cocktail party of political party workers who are uniformly distributed across the floor, all talking to their nearest neighbours. The ex-Prime Minister enters and crosses the room. All of the workers in her neighbourhood are strongly attracted to her and cluster round her. As she moves she attracts the people she comes close to, while the ones she has left return to their even spacing. Because of the knot of people always clustered around her she acquires a greater mass than normal, that is she has more momentum for the same speed of movement across the room. Once moving she is hard to stop, and once stopped she is harder to get moving again because the clustering process has to be restarted. A quasi-political explanation of the Higgs Boson In three dimensions, and with the complications of relativity, this is the Higgs mechanism. In order to give particles mass, a background field is invented which becomes locally distorted whenever a particle moves through it. The distortion - the clustering of the field around the particle generates the particle's mass. The idea comes directly from the physics of solids. Instead of a field spread throughout all space a solid contains a lattice of positively charged crystal atoms. When an electron moves through the lattice the atoms are attracted to it, causing the electron's effective mass to be as much as 40 times bigger than the mass of a free electron. The postulated Higgs field in the vacuum is a sort of hypothetical lattice which fills our Universe. We need it because otherwise we cannot explain why the Z and W particles which carry the weak interactions are so heavy while the photon which carries electromagnetic forces is massless. 2. The Higgs Boson Now consider a rumour passing through our room full of uniformly spread political workers. Those near the door hear of it first and cluster together to get the details, then they turn and move closer to their next neighbours who want to know about it too. A wave of clustering passes through the room. It may spread to all the corners or it may form a compact bunch which carries the news along a line of workers from the door to some dignitary at the other side of the room. Since the information is carried by clusters of people, and since it was clustering that gave extra mass to the ex-Prime Minister, then the rumourcarrying clusters also have mass. The Higgs boson is predicted to be just such a clustering in the Higgs field. We will find it much easier to believe that the field exists, and that the mechanism for giving other particles is true, if we actually see the Higgs particle itself. Again, there are analogies in the physics of solids. A crystal lattice can carry waves of clustering without needing an electron to move and attract the atoms. These waves can behave as if they are particles. They are called phonons and they too are bosons. There could be a Higgs mechanism, and a Higgs field throughout our Universe, without there being a Higgs boson. The next generation of colliders will sort this out. Experimentelle Situation des Higgs LEP (bis 2000) war die einzige Maschine, die es hätte produzieren können Schwerpunktsenergie 2x106 GeV Hinweise bei 114.5 GeV/c2; Signifikanz ging zurück Jetzt: Tevatron bei Fermilab • Run IIa: 2001-2003/4 • Run IIb (?): 2005 (?) Higgs bei LEP? 2 b Kandidat HZ Hypothese mH=(114 GeV 3) GeV Jet b-tagWahrscheinl.: Z 1 0.14 2 0.01 H 3 0.99 4 0.99 Kin. Massenfit mH =112.4 GeV mZ =93.3 GeV _ e+e - -> HZ -> bbjj ? ZZ-Hypothese mZ=102 GeV mZ=91.7 GeV Zerfallskanäle und Breite des Higgs Verzweigungsverhältnisse Breite Higgskopplung proportional mf2 Das schwerste Fermion (b quark) dominiert so lange bis die Schwelle für Erzeugung von WW, ZZ erreicht ist Entdeckungsstrategie für das Standardmodell-Higgs Bei LHC ist das SM-Higgs im gesamten erwarteten Massenbereich vom derzeitigen LEP-Limit 115 GeV bis 1 TeV zugänglich. Je nach Masse benützt man verschiedene Zerfallskanäle: 80 GeV < mH < 140 GeV 130 GeV < mH < 700 GeV 500 GeV < mH < 1000 GeV 500 GeV < mH < 1000 GeV 800 GeV < mH < 1000 GeV 800 GeV < mH < 1000 GeV H -> gg, H -> bb H -> ZZ(*) -> 4 Leptonen (l) H -> ZZ -> 2 l + 2 Jets H -> ZZ -> 2 l + 2 n H -> WW-> l + n + Jets H -> ZZ-> 2 l + 2 Jets H -> gg Elektromagnetisches Kalorimeter wurde auf diesen Kanal optimiert. DmH/mH < 1%, Signal/Untergrund 1/20 H -> ZZ*, ZZ Nachweis beruht auf ausgezeichnetem Tracker, em. Kalorimeter und Müonsystem. DmH @ 1 GeV für mH < 170 GeV H -> 2 l + 2 Jets (oder 2 n) Nachweis erfolgt durch Leptonen, Jets und fehlende Energie. Für letztere ist ein gutes Hadronkalorimeter mit großem Rapiditätsbereich wichtig. Standardmodell-Higgs in ATLAS Signifikanzen für 30 und 100 fb-1 Standardmodell-Higgs in CMS CMS 5s Signifikanz für 100 fb-1 5 s - Konturen Supersymmetrie • Vielleicht sind die elektroschwache und die starke Kraft vereint. In diesem Fall würden Leptonen und Quarks ineinander übergehen können und das Proton wäre nicht stabil. Der Massenwert, bei dem Vereinigung in einer entsprechenden Theorie (“Grand Unified Theory”, GUT) eintritt, muß groß genug sein, so daß die Zerfallsrate des Protons mit dem experimentell gemessenen Wert kompatibel ist. • Die Kopplungskonstanten ”laufen" in Quantenfeldtheorien aufgrund von Vakuumfluktuationen. Beispiel: In der Quantenelektrodynamik ist die elektrische Ladung e durch Fluktuationen von Photonen in e+e--Paare bis zu einer Distanz von le ~ 1/me abgeschimt. Daher steigt aem mit steigender Masse: aem (0) = 1/137, aem (mZ) = 1/128. Supersymmetrie Evolution of Coupling Constants in SUSY Evolution of Coupling Constants in the SM 70 70 1/aem 60 60 50 40 40 1/aw 1/ a 1/ a 50 30 30 20 20 1/as 10 0 0 10 a3 a2 a1 5 10 a3 a2 a1 10 10 Mass(GeV) 15 10 10 0 0 10 5 10 10 10 Mass(GeV) 15 10 20 10 Um bei hohen Energien unnatürlich große Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse zu vermeiden und damit das so genannte Hierarchieproblem zu vermeiden, fordert man zu jedem SM-Fermion einen supersymmetrischen Boson-Partner und vice versa. Wenn die Masse des SUSY-Partners in der Größenordnung ~ 1 TeV liegt, dann gilt die GUTVereinigung bis zu 1016 GeV. Supersymmetrie SUSY-Higgssektor Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell gibt es 5 Higgsbosonen: h0, H0, A0 und H±. Die Suche nach ihnen erfolgt teilweise ähnlich wie im Standardmodell. SUSY-Higgse in ATLAS 5 s - Konturen SUSY-Higgse in CMS Sparticles Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Ebenso kann ein charakteristischer Abfall im l+l-- Massenspektrum aufgrund des Zerfalls c20 -> l+l- c10 auftreten. Beispiel für Physik jenseits des Standardmodells Compositeness in ATLAS CP-Verletzung und B-Physik - Bis jetzt keine Präzisionsmessung der CP-Verletzung im Standardmodell. Es kann nicht ausgeschlossen werden daß CPVerletzung teilweise durch neue Physik erklärt werden muß. - Die Kosmologie legt nahe, daß es zum Standardmodell eine zusätzliche Quelle von CP-Verletzung geben muß (Materie Antimaterie-Asymmetrie). - CP-Verletzung wurde bislang nur in der Zerfallsamplitude von KL-Mesonen nachgewiesen. Im B-Meson-System stehen viel mehr Zerfallsmoden zur Verfügung. Für viele davon macht das Standardmodell genaue Vorhersagen, so daß Abweichungen detektiert werden könnten. Exakte Symmetrie ist unnatürlich! CKM-Matrix ( Vud Vus Vub Vcd Vcs Vcb Vtd Vts Vtb VCKM = ( VCKM(3) = 1- l2 -l A l3 (1-r-ih) ) = VCKM(3) + dVCKM lAl3(r-ih) 1-l2/2 A l2 -Al2 1 ) Vij sind proportional zur Stärke der Kopplung von downartigen (d, s, b) und up-artigen Quarks (u, c, t) an W± . CKM-Unitaritätsdreiecke im B-System VtdVtb + VcdVcb + Vub a VudVub Vtd g Vcb =0 VtdVud + VtsVus + VtbVub = 0 r Vub h g Vtd dg Vts arg Vcb = 0, arg Vub = -g, arg Vtd = -, arg Vts = dg Messung der CKM-Parameter Beispiele: +g g - 2 dg dg g Bd0 -> + Bd0 -> J/y KS Bs0 -> DS±K ± Bs0 -> J/yF Bd0 -> D0K*0, D0K*0 , ... Experimentelle Anforderungen: Hohe Statistik für Bu,d,s-Zerfälle mit Verzweigungsverhältnissen < 10-7 Ausgezeichnete Zeitauflösung Ausgezeichnete Teilchenidentifikation Effizientes und flexibles Triggerschema, auch für Hadronen. Hohe Statistik wird bei LHC leicht erreicht, da: B-Produktionswirkungsquerschnitt bei 14 TeV: sbb ≈ 500 mb LHCb-Luminosität: 2132 cm-2 s-1 Rate(bb) = 105 s-1 : 0.5% des totalen inelastischen Querschnitts Spezialexperiment LHCb Spezialexperiment LHCb Schnitt transversal zum Magnetfeld Abschirmung Magnet RICH 2 ECAL Müondetektor HCAL Tracker RICH 1 Vertexdetektor x/m 1.9 < h < 4.9 z/m LHCb-Detektor Vertexdetektor: Si r- Streifendetektor, einseitig, 150mm dick, Analogreadout Tracking-System: Außen: Driftkammer Innen: Micro-Strip Gasdetektor oder Kathodenstreifenkammer (Option: Siliziumdetektor) RICH-Detektoren (Ring Imaging Cherenkov): RICH-1: Aerogel (n = 1.03) C4F10 (n = 1.0014) RICH-2: CF4 (n = 1.0005) Photodetektor; Hybridphotodioden (Ersatz: Photoelektronenvervielfacher) Kalorimeter: Preshower-Detektor: Blei-Szintillatorschicht (14/10 mm) Elektromagnetisches K.: Blei-Szintillator, 25X0, 10% Auflösung Hadron: Tile-Kalorimeter, 7.3l, 80% Auflösung Müonsystem: Multi-gap Resistive Plate Chamber und Cathode Pad Chamber LHCb-Ereignis im Vertexdetektor Müon zum Triggern Primärvertex Auflösung: Zerfallsdistanz 120 mm, Zerfallszeit 0.4 ps Schwerionenphysik Zweck ist Studium des Deconfinement. Das Quark-GluonPlasma (QGP) wurde ziemlich sicher schon bei Schwerionenexperimenten erzeugt. Die Energie reicht jedoch nur gerade aus. Bei LHC wird das QGP routinemäßig erzeugt werden. Bei der Kollision von Kernen werden u.a. charm- und bottomhältige Teilchen (J/y Y) erzeugt. Bei Kollisionen von schweren Kernen entstehen jedoch weniger als bei Kollisionen von leichten Kernen. Strangeness-Erzeugung sollte erhöht sein. Am LHC ist das Spezialexperiment ALICE zum Studium des QGP vorgesehen. Es ist zur Zeit an der Stelle des LEPExperiments L3 in Bau. Schwerionenphysik Pb-Pb-Kollision im NA49-Experiment des CERN Die enorme Anzahl der Teilchen ist die größte experimentelle Herausforderung der Schwerionenphysik. In den derzeitigen Experimenten werden im Mittel bei Blei-Kollisionen 1500 Spuren erzeugt. Bei LHC wird diese Zahl 50 000 sein! Teilchenidentifikation ist essentiell. Schwerionenexperiment ALICE TOTEM TOTEM ist ein Spezialexperiment für die Messung des Gesamtwirkungsquerschnitts, von elastischer Streuung und diffraktiven Prozessen. Der Gesamtwirkungsquerschnitt wird luminositätsunabhängig bestimmt durch gleichzeitige Messung von elastischen Streuprozessen mit geringem Inpulstransfer und von inelastischen Wechselwirkungen. Mit dieser Methode ist auch eine absolute Kalibration der Beschleunigerluminosität möglich. Der Detektor besteht aus: Teleskopen von "Roman Pots" symmetrisch auf beiden Seiten der Wechselwirkungsregion CMS. Sie dienen zur Messung von Protonen, die mit sehr kleinen Winkeln in elastischen oder quasi-elastischen Reaktionen gestreut werden. einem Detektor zur Messung aller inelastischen Prozesse im Rapiditätsbereich 3 bis 7.
