Neues vom LHC - Universität Wien

Neues vom LHC
Exkursion in die Welt der Elementarteilchen
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Elementarteilchenphysik heute
Higgs und das Gottesteilchen
LHC - Wohin geht die Reise ?
Uni. Prof. André Hoang, Fakultät für Physik, Universität Wien
Large Hadron Collider
Umfang:
Beschleun. Teilchen:
Energie pro Proton:
Geschwindigkeit:
Kinetische Energie:
Kosten:
26.7 km
Protonen
7 TeV = 7 x 103 mproton
0.999999991 c
Ekin der USS Ronald Reagan bei 6 Knoten
10 Milliarden Dollar
(1.9 Milliarden Dollar mehr als das kombinierte schweizer und
österreichische Militär-Budget 2010)
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Large Hadron Collider
LHC:
Das bislang größte wissenschaftliche Instrument der Elementarteilchenphysik.
Bestes bisher gebaute Mikroskop: Auflösung 10-17 cm
Fortführung der Forschungen, die an früheren Beschleuniger-Experimenten
durchgeführt wurden.
Beantwortung der wichtigsten offenen Fragen.
Wegweiser für weitere neue Entwicklungen.
HERA (e- p): 1992 – 2007, Hamburg
LEP (e+e-): 1989-2000
Geneva
Tevatron (pp): since 1987
Chicago
Prof. André H. Hoang
SLC (e+e-): 1989 –
2000, Stanford
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Physik der Atome
Wikipedia
Die Physik
.. untersucht die grundlegenden
Phänomene in der Natur in der Absicht
deren Eigenschaften und Verhalten
anhand von quantitativen Modellen und
Gesetzmässigkeiten zu erklären. Sie
befasst sich insbesondere mit Materie
und Energie und deren
Wechselwirkungen in Raum und Zeit.
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Physik der Atome
Experiment
Ernest Rutherford (1910)
θ
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Physik der Atome
Wasserstoff (H)
<
10-16
cm
10-13 cm
10-8 cm
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Prof. André H. Hoang
Elektromagnetische Kraft (γ)
Theorie: Quantenmechanik
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Physik der Atome
Helium (He)
2 Elektronen
2 Protonen
2 Neutronen
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Prof. André H. Hoang
Elektromagnetische Kraft (γ)
Starke Kraft
Theorie: Quantenmechanik
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Moderne Elementarteilchenphysik
“Teilchenzoo” (1945 – 1960)
Robert Hofstadter (1956)
Friedmann, Kendall, Taylor (1962)
θ
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Moderne Elementarteilchenphysik
Proton
2 u-Quarks
1 d-Quark
Gluonen
(starke Wechselwirkung)
<
Prof. André H. Hoang
10-16
cm
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Das Standard-Modell
Quantenfeldtheorie (Quantenmechanik + spez. Relativitätstheorie)
elektro-magnetische Kraft
schwache Kraft
starke Kraft
+ Antiteilchen
Gravitation
?
Prof. André H. Hoang
?
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Das Standard-Modell
Teilchenmassen:
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Das Standard-Modell - Offene Fragen
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Woher kommt die Struktur des Standardmodells ?
Woher kommen die Massen der Elementarteilchen ?
Was legt die 21 freien Parameter fest ?
...
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Warum sind die Kopplungen der 3 Kräfte bei hohen
Energien so ähnlich ?
Ziele des LHC:
1)  Entdeckung des Higgs-Bosons und des
Mechanismus der spontanen Symmetriebrechnung
2)  Entdeckung von “Neuer Physik” jenseits des
Standard-Modells, die uns hilft möglichst viele der
offenen Fragen an das Standard-Modell zu klären.
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Experimente am LHC
ATLAS:
A Toroidal LHC Aparatus:
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CMS:
Higgs
Neue Physik
Erzeugung neuer Teilchen
Compact Muon Selonoid
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Higgs
Neue Physik
Erzeugung neuer Teilchen
ALICE: A Large Ion Collider Experiment:
LHCb:
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Prof. André H. Hoang
B-Physik
CP-Verletzung
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Schwerionen-Kollisionen
Quark-Gluon-Plasma
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Das Standard-Modell - Higgs-Mechanismus
Relativistische Schrödinger-Gleichung:
Normale Teilchen:
∂2
2
− ∇ ψ(x, t) = fψ (e, μ, . . . , H))
∂t2
klein
ψ(x, t) ≈ eiEt e−ipx
klein
Higgs-Teilchen:
∂2
2
− ∇ H(x, t) = λ(H − v)3 + fH (e, μ, . . . , H
H))
2
∂t
H(x, t) ≈ v + eiEt e−ipx
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Das Standard-Modell - Higgs-Mechanismus
Relativistische Schrödinger-Gleichung:
Normale Teilchen (masselos):
∂2
2
− ∇ ψ(x, t) = fψ (e, μ, . . . , H)
∂t2
= −gH 2 ψ + . . .
H ≈ v + eiEt e−ipx
= −gv 2 ψ + . . .
m ≡ gv 2 ψ
∂2
2
2
−
∇
+
m
ψ(x, t) = f˜ψ (e, μ, . . . , H)
∂t2
Massives Teilchen !
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Das Standard-Model - Higgs-Mechanismus
Wie ein Teilchen Gewicht bekommt.
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
The Standard Model - Higgs Mechanism
Wie das Higgs selber Masse bekommt.
Man erwartet, dass die Higgsmasse
etwa der Masse des schwersten
bekannten Teilchens entspricht (Top).
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Die Jagd auf das Higgs-Boson
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Die Jagd auf das Higgs-Boson
Wirkungsquerschnitte
jet
π+ , π− , π0 , K
jet
μ
e
e
Higgs-Signale
sind sehr selten!
μ
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Experimentelle Herausforderungen
2 jets
p p → q q H + X
q’
q
Z Z
μ
e
e
e+ e−
μ+ μ−
μ
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Experimentelle Herausforderungen
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Events müssen nach bestimmten Kriterien aussortiert werden, so dass
Signalevents erhalten bleiben und Hintergrund eliminiert wird.
2 jets
p p → q q Z Z + X
q’
q
μ
e
e
e+ e−
μ+ μ−
μ
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Experimentelle Herausforderungen
Trigger-System:
Wirkungsquerschnitte
Reduktion der Eventrate um Faktor 10-12 !
Higgs-Signale
sind sehr selten!
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Experimentelle Herausforderungen
Rechen-Kapazitäten:
Wirkungsquerschnitte
Higgs-Signale
sind sehr selten!
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Theoretische Herausforderungen
Protonstruktur
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Quark und Gluonen im
Proton
FeynmanDiagramme
Prof. André H. Hoang
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Harte Reaktion (Quarks,
Gluonen, Higgs)
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Jet and hadron formation
Jet-Formation
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Theoretische Herausforderungen
Faktorisierung
dx1 dx2
dσ
incl
=
fi (x1 , q 2 ) fj (x2 , q 2 ) Hij
(x1 p1 , x2 p2 , q 2 , Y )
2
dq dY
x1 x2
i,j
Parton-Verteilungs-Funktionen:
fi (x, q 2 ) = Wahrscheinlichkeit, dass Parton i
Berechnung von FeynmanDiagrammen
den Anteil x des Protonimpulses hat.
(prozess-unabhängig)
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Theoretische Herausforderungen
Parton-Verteilungs-Funktionen:
Parton-Verteilungs-Funktion ändern sich mit der Energie der Protonen.
Valenzquarks
Mehr Gluonen und
Quarks
Extrapolationen auf LHC-Energien
notwendig.
LHC
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Theoretische Herausforderungen
Feyman-Diagramme:
Prof. André H. Hoang
Prof André H Hoang
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Berechnung einer großen Anzahl von FeynmanDiagrammen für Signal- und Hintergrundprozesse
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Automatisierung der Berechnungen mit
Computer-Algebra-Methoden
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Schnelle numerisch Auswertung der Ergebnisse
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Die Jagd auf das Higgs-Boson
Jagd auf das Higgs:
=
Zusammenspiel von vielen Physikern und
Technikern, die alle Ihre Aufgaben so gut und
fehlerfrei wie möglich erledigen müssen, um das
Higgs aufzuspüren.
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Die Jagd auf das Higgs-Boson
Status:
ausgeschlossen
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ausgeschlossen
Higgs verursacht eine kleine Erhöhung der Eventrate.
Higgs mit Masse zwischen 115 und 140 GeV nicht ausgeschlossen.
Statistik noch nicht ausreichend für eine Entdeckung.
(Ende 2012: Statistik für Entdeckung ausreichend)
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Suche nach Neuer Physik - “Quo Vadis ?”
Ziel Nr. 2 des LHC:
Supersymmetrie:
Prof. André H. Hoang
Entdeckung von “Neuer Physik” jenseits des StandardModells, die uns hilft möglichst viele der offenen Fragen
an das Standard-Modell zu klären.
Erweiterung der Raum-Zeit-Symmetrien um eine Symmetrie,
die Fermionen und Boson ineinander überführt.
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Suche nach Neuer Physik - “Quo Vadis ?”
Supersymmetrie:
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Erweiterung der Raum-Zeit-Symmetrien um eine Symmetrie,
die Fermionen und Boson ineinander überführt.
Obere Schranke an Higgs masse: 145 GeV
Vereinheitlichung der Kopplungen der 3 Kräfte ?
Leider mehr als 100 freie Parameter.
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Suche nach Neuer Physik - “Quo Vadis ?”
Zusätzliche Raum-Zeit-Dimensionen:
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Kaluza-Klein-Anregungen der StandardModell-Teilchen
Erklärung warum Graviation so schwach
ist. (Hierarchie-Problem)
“String-Theorie”
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Teilchenphysik und Kosmologie
?
Prof. André H. Hoang
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012
Conclusions
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LHC ist ein Fenster zu neuen, unerforschten
Bereichen.
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LHC wird eine Reihe von wichtigen Fragen der
Elementarteilchenphysik beantworten
(Ursprung von Massen)
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Viele Experimente zu anderen Fragen
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Entdeckungen und Resultate werden die weitere
Entwicklung der Hochenergie-Teilchenphysik
bestimmen.
Fortbildungswoche, 27. Februar 2012