Ein neues Teilchen am LHC – Ist es ein Higgs

Ein neues Teilchen am LHC – Ist es ein Higgs-Boson?
Klaus Desch
Physikalisches Institut der Universität Bonn
Kontaktstudium
7. November 2012
1.  Kontext: elementare Bausteine und Kräfte
2.  Symmetrie als Konstruktionsprinzip
3.  Gebrochene Symmetrie: Higgs als Rettung
4.  Eigenschaften des Higgs-Teilchens
5.  Experimente am LHC
6.  Ergebnisse des 4.7.2012
7.  “It´s only the beginning”
1.  Kontext:
Elementare
Bausteine und
Kräfte
Ordnung auf jeder Skala
Ordnung auf jeder
Längenskala
Die fundamentalen
Bausteine der Materie
+
Higgs−
Boson(?)
P. Bechtle: Der Higgs-Mechanismus
Abendvortrag Bonn 11.07.2012
2
Bausteine der Materie (heute)
“Punktförmig”
(überprüft bis 10-18m)
Alle experimentell
nachgewiesen!
Unterschiede:
Massen +
Kräfte, die auf die
Bausteine wirken
+ Antiteilchen
Bedeutung der Masse
Die Masse der Bausteine der Materie
Die Massen der Materie-Bausteine
Wiederum ein geordnetes Muster
Elementare Kräfte
Beschreibung von Kräften
durch “Botenteilchen”
elektrische und
magnetische Kräfte
werden durch Austausch
von Photonen übermittelt
R. Feynman
elektromagnetische Kraft ist nicht die Einzige…
Elementare Kräfte
vereinheitlicht:
elektro-schwache Kraft
geladene Teilchen
nur Quarks
M=0
M=0
alle Teilchen
alle Teilchen
M = 80/91 GeV!
?
M=0
Austauschteilchen: “Bosonen”
Nur die Bosonen der schwachen WW haben (viel!) Masse!
2. Symmetrie
als Konstruktionsprinzip
Theoretische Beschreibung der Kräfte zwischen
elementaren Teilchen: das Standard-Modell
Frage: woher kennen wir die Kraftgesetze in der Makrophysik?
Newton-Gesetz:
Fgrav = k * m1 * m2 / r2
Coulomb-Gesetz:
Fel = k´ * q1 * q2 / r2
... nachmessen (Probeladung, Probemasse, Abstand variieren...)
Kraftgesetz der schwachen und starken Kraft???
- Reichweite der Kräfte < 10-15 m
- Kleine Abstände: Quantenmechanik nötig
- Große Geschwindigkeiten: (spez.) Relativitätstheorie nötig
- Erzeugung + Vernichtung von Quanten: Quantenfeldtheorie
à Relativistische Quantenfeldtheorie
Eichfreiheit
Eichfreiheit
Eichfreiheit
3. Higgs-Mechanismus
als Rettung
Der Higgs-Mechanismus
Die Erfinder des Higgs-Mechanismus
Problem von Eichtheorien mit massiven Teilchen
war früh erkannt – Rettungvorschlag 1964
Kibble,
Guralnik, Hagen, Englert, Brout
Kibble,Guralnik,Hagen,Englert,Brout
und...
Der Higgs-Mechanismus
Die Erfinder des Higgs-Mechanismus
Peter Higgs
Peter Higgs
Das Rätsel der Masse
Ist Masse keine Eigenschaft der Teilchen, sondern nur
das Ergebnis einer permanenten Kraft ???
Wenn diese “Higgs-Kraft” selbst dem Eichprinzip gehorcht,
lässt sich das Eichprinzip retten!
Jedes masselose Teilchen bewegt
sich mit Lichtgeschwindigkeit
MassiveTeilchen bewegen
sich langsamer
Der Higgs-Mechanismus
Einzige Zutat: ein neues Feld (= eine Kraft) mit besonderen
Eigenschaften
Der Higgs-Mechanismus
Das Higgs-Feld
-  muss auch im “leeren Raum” eine Feldstärke besitzen
-  muss mit allen Teilchen bei denen wir die Eigenschaft
“Masse” beobachten in Wechselwirkung treten
-  umso stärker, je größer ihre Masse
-  muss dem Eichprinzip (der elektro-schwachen Kraft)
gehorchen
Diese Bedingungen definieren das Higgs-Feld recht genau
(aber bei weitem nicht eindeutig!)
Wichtigste Konsequenz: es muss ein zum Higgs-Feld
gehöriges Teilchen geben, das Higgs-Boson
(oder mehrere…)
4. Eigenschaften des
Higgs-Teilchens
Eigenschaften des Higgs-Teilchens
- Higgs-Feld hat keine Richtung à Spin 0
haben Spin 1, Materie Spin ½ )
(Kraftfelder
- Higgs-Boson selbst hat Masse – aber nicht vorhergesagt
welche (vor LHC: 115 GeV < m < 1000 GeV – aber
115 – 160 GeV bevorzugt)
- Da das Higgs-Boson mit praktisch allen bekannten
Teilchen wechselwirkt zerfällt es auch schnell wieder
Wie erzeugt man Higgs-Bosonen?
Wie kann man ein Higgs-Teilchen erzeugen?
H
p
Jürgen Kroseberg
p
Higgs & Experiment
Uni Bonn, 11.7.2012
2
Wie erzeugt man Higgs-Bosonen?
Wie kann man ein Higgs-Teilchen erzeugen?
z.B.
q
g
H
H
H
g
q
Jürgen Kroseberg
Higgs & Experiment
Uni Bonn, 11.7.2012
3
γ
Beobachtung von Higgs-Bosonen?
Nachweis von Higgs-Teilchen
H
über den Nachweis der Zerfallsteilchen
Jürgen Kroseberg
Higgs & Experiment
Uni Bonn, 11.7.2012
5
Viele Zerfallsmöglichkeiten
Nicht alle Zerfallsmöglichkeiten können am LHC nachgewiesen
werden. Wichtigste Zerfälle (am LHC): Hàγγ und HàZZàμμμμ
5. Der LHC und die
Experimente
ATLAS + CMS
Der Large Hadron Collider LHC
Proton-Energie 2x4 Teraelektronvolt (TeV)
•  etwa 1/10000 des Protonradius auflösen
•  neue Elementarteilchen produzieren die etwa 20x schwerer
sind, als das schwerste bekannte Teilchen (top-Quark)
LHCb
CMS
ATLAS
CERN: Europäisches Zentrum
ALICE
für Teilchenphysik
2500 Beschäftigte +
>8000 „Nutzer“ (aus der ganzen Welt)
gegründet 1956
Eine technologische Herausforderung:
z.B. 1232
supraleitende
(15m,
1.8 K, 8T (=9000 Ampere) )
Der
Large
HadronMagnete
Collider
LHC
Das ATLAS-Experiment: die Kollisionen sichtbar machen
Länge: 44m
Durchmesser: 22m
Gewicht: 7000t
Das ATLAS-Experiment (als LEGO Bausatz, 8000 Teile)
Das ATLAS-Experiment: Teamwork!
ATLAS and der Uni Bonn
aus 17 Ländern
4 Profs
~20 promovierte
Wissenschaftler
~50 Doktoranden
9
Teilchennachweis
Beobachtung
SpurDetektor
der Zerfallsprodukte?
elektrom.
HadronMyonKalorimeter Kalorimeter Detektor
geladene Hadronen
neutrale Hadronen
Jürgen Kroseberg
Higgs & Experiment
Uni Bonn, 11.7.2012
7
Ein EreignisBeispielereignis
(Kandidat für Hàγγ) mit
Jürgen Kroseberg
Higgs & Experiment
2 Photonen
Uni Bonn, 11.7.2012
9
Ist dies wirklich ein Hàγγ – Ereignis?
Kann anhand eines Ereignisses nicht entschieden werden!
Andere Möglichkeiten (“Untergrund”):
1.  Es ist wirklich ein γγ – Ereignis, stammt aber nicht aus
aus einem Higgs-Zerfall sondern aus einem anderen
(uninteressanten) Prozess, z.B. q + anti-q à γγ
2. Mindestens eines der beiden Photon-Kandidaten ist
gar kein Photon sondern wurde nur fälschlich als
solches identifiziert (“fake”)
à Nachweis eines neues Teilchens (Higgs?) kann nur
statistisch erfolgen (“mehr Ereignisse als vom
Untergrund erwartet”)
Beispiel fürTrennung
Untergrund Signal
Untergrund?
Nur ein Beispiel (von vielen!):
Jürgen Kroseberg
Higgs & Experiment
Uni Bonn, 11.7.2012
21
Den Untergrund reduzieren
Aus den gemessenen Richtungen und Energien (Impulsen) der
beiden Photonen lässt sich die (invariante) Masse des Mutterteilchens
berechnen
Den Untergrund reduzieren
Alle „Higgs“-Ereignisse sollten bei der gleichen invarianten Masse
liegen – der Untergrund ist (meistens) breit verteilt
„bump hunt“
Beispielereignis
mit
4
Myonen
Ein Ereignis (Kandidat für HàZZàμμμμ)
Jürgen Kroseberg
Higgs & Experiment
Uni Bonn, 11.7.2012
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6. Ergebnisse des
4. Juli 2012
Ein neues Teilchen?
ATLAS - γγ
Jürgen Kroseberg
Higgs & Experiment
Uni Bonn, 11.7.2012
25
CMS - γγ
ATLAS – ZZ à 4 Leptonen
CMS – ZZ à 4 Leptonen
Ja oder nein? Ist das statistisch signifikant?
Ist es das (oder ein) Higgs-Boson?
Duck test: „If it looks like a duck, swims like a duck, and quacks
like a duck, then it probably is a duck.“
Was wir wissen:
-  Es ist ein neues Teilchen
-  Alle bisher bekannten Eigenschaften sind >konsistent< mit
denen eines Higgs-Bosons
Was wir noch nicht wissen (Auswahl):
-  Hat es Spin 0 (wir wissen, dass es nicht ½, 1, 3/2 sind)
-  Wechselwirkt es auch mit Materieteilchen?
(bisher nur Zerfälle in Z, Photon gesehen)
-  Haben die Wechselwirkungsstärken die richtige Größe?
-  Wechselwirkt das Higgs mit sich selbst (wichtigster Test!)
-  Verhält es sich wie das SM-Higgs, gibt es mehrere,
ist es elementar oder zusammengesetzt, ... ???
“It is only the beginning”
Untersuchung des neuen Teilchens steht erst ganz am Anfang!
Forschungsprogramm am LHC bis 2025-30
“Higgs” als Schlüssel zu Physik jenseits des Standard-Modells
Verbindungen zu
- 
- 
- 
- 
Dunkler Materie ?
Supersymmetrie – große vereinheitlichte Theorie ?
Extra Raumdimensionen ?
Dunkle Energie ??
Präzise Untersuchungen des neuen Teilchens haben bereits
Pläne für einen neuen Beschleuniger “International Linear Collider”
neu belebt – wird vielleicht in Japan gebaut?^
Gigantisches
Medienecho –
Pressekonferenz
4.
7
.
Grundlagenforschung in aller Munde
Jürgen Kroseberg
Higgs & Experiment
2012
Uni Bonn, 11.7.2012
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Teilchenphysik für Schüler und an Schulen
www.teilchenwelt.de
Nächste Woche: Masterclass für Lehrer
(Dr. Barbara Valeriani-Kaminski)
http://www.schuelerlabor.uni-bonn.de/lehrer/fortbildung
Noch Plätze frei...