Was das Auge nicht sehen kann – auf der

Werbung
Was das Auge nicht sehen kann – auf der Suche nach den
Bausteinen der Materie
Tilman Rohe, Physiker, Ennetbaden
T. Rohe, 27. November 2013
T. Rohe, 27. November 2013
1
Inhalt
Teilchenphysik
Forschungsgegenstand
Experimentelle Techniken
Standardmodell, Higgsteilchen und “neue” Physik
CERN
Organisation und Aufgabe
Organisation von Experimenten
Detektor-Bau
Schweizer Beitraege zum CMS-Experiment
Entwicklung und Bau des CMS-Pixel-Detektors
Diskussion
Download der Folien http://people.web.psi.ch/rohe/treff
T. Rohe, 27. November 2013
Woraus besteht die Welt? Was ist Materie?
Aristoteles 384-322 v. Chr.
Der Raum ist kontinuierlich mit
Materie gefüllt .
Wer hat recht?
Mit Nachdenken alleine kannDemokrit
man das
nicht
460-370 v. Chr.:
herausfinden. Experimente Die
sind
notwendig.
Materie
besteht aus vielen unteilbaren Teilchen
(Atomen). Die Natur der Atome bestimmt die
Materialeigenschaften
Thales 624-547v.Chr
Alle Materie ist eine Kombination
der 4 Elemente:
Wasser, Feuer, Luft und Erde
Platon 428-348v.Chr.
Elementare Symmetrien: Jedem der 4 Elemente
ist eine Form zugeordnet.
T. Rohe, 27. November 2013
2
Theorie ↔ Experimente
(Physikalische) Theorien:
• Beschreiben Phänomene (Teilaspekte der “Natur”) mathematisch
• Benötigen dazu möglichst wenig “Annahmen” (Axiome)
• Machen (quantitativ) überprüfbare Vorhersagen
• Nicht alle in sich schlüssigen Theorien sind in der Natur realisiert
Experimente:
• “Fragen an die Natur”
• Widerlegen oder bestätigen Vorhersagen (meist lassen sich Theorien “anpassen”)
• Messen grundlegende (z.T. nicht vorraussagbare) Grössen (z.B. Naturkonstanten)
Wissenschaftlicher Fortschritt ist nur durch die Zusammenarbeit beider Disziplinen möglich
• Diese Einsicht ist relativ neu (~400 Jahre).
T. Rohe, 27. November 2013
Experimentelle und technische Möglichkeiten
Mittelalterliche LinsenSchleifmaschine
Tomaso da Modena um 1352
Die experimentellen Möglichkeiten hängen stark vom “Stand der Technik” ab.
Beispiel: Optik im Mittelalter:
• Schon im 13.Jh. waren Brillen aus geschliffenen Glaslinsen üblich
• Die Qulität erlaubte aber nicht den Bau von Mehr-Linsen-Systemen
• Selbst wenn jemand die Idee gehabt hätte: Es hätte nicht funktioniert
T. Rohe, 27. November 2013
3
Technologiescher Frotschritt → wiss. Fortschritt
J. Lipperhey 1570-1613
Beispiel Optik:
Johann Lippershey (Brillenmacher aus Middelburg/NL) verbesserte die
Schleiftechnologie und erfand 1608 das erste Mehrlinsen-Fernrohr
 Enormer Fortschritt durch den Einsatz von Teleskopen und Mikroskopen
in der Wissenschaft
Galileo Galilei
Jupiter Monde (1610)
Phasen der Venus
Robert Hook  Zellen,  Biologie . . .
Mikroskop von Hook
Robert Hook 1635 - 1702
Galileo Galilei 1564 - 1642
Galilean Telescope
T. Rohe, 27. November 2013
Grösste und kleinste Grenzen
Dunkle Materie
Dunkle Energie
(Anti)Materie
Teleskope mit:
Higgs , SUSY
Strings, QG
CP-Violation
Gamma-Strahlung ~1980
Neutrinos
Guth, Linde
Inflation
Infrared
Gravity
1969
x-ray
Wheeler
Particle Physics
6 Quarks & Leptons
Nuclear Physics
Schwarze Löcher
1965
Penzias, Wilson
T ~ 3K (kosmische
1932
Chadwick
Neutron
Radio Hintergrundstrahlung)
Teleskope
1910
Rutherford
Atom
1927
Lemaitre
Urknall
Teleskope
1923
Hubble
v=Hr
Teilchen
Physik
Experimente
1897
J.J.Thomson
Electron
1917
Sharpley
Spiral Milky Way
1896
Becquerel
Radioactivity
~1600
Linsen Technologie
Mehr-Linsen-Systeme
Detektoren
Beschleuniger
Elektron /
Röntgen
Mikroskope
Mikroskope
T. Rohe, 27. November 2013
4
Urknall und Expansion des Universums (Hubble 1923)
T. Rohe, 27. November 2013
Physik des frühen Universums
Bausteine der
Materie
Nukleosynthese (primordial)
H, D, 3He, 4He, 7Be, 6Li, 7Li
Big Bang, Thermodynamik, Kernphysik
p,n
Physik der Elementar-Teilchen
Die Naturgesetze der Teilchenphysik regieren das frühe Universum
 Beschleuniger für die Erforschung der Teilchenphysik
T. Rohe, 27. November 2013
5
Mikroskope der Teilchenphysik
Mit sichtbarem Licht kann man keine Dinge darstellen, die (viel) kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts:
•  ~ 500nm = 0.0005mm ~ 1/100 Haardurchmesser
Es begann ein Entwicklung immer hochauflösenderer bildgebender Mikroskope
• Ultraviolettes Licht
• Röngenmikroskope (keine “Durchleuchtung”)
• Elektronenmikroskope
Von Elementarteilchen kann man keine “Bilder” im eigentlichen Sinne mehr machen. Man versucht ihre
Eigenschaften zu vermessen
• Streuexperimente
• Teilchenbeschleuniger
• Die Energie der der Sonden (Elementarteilchen, die gestreut werden) bestimmt die Auflösung der
Messung: Je höher die Energie desto kleiner die darstellbaren Strukturen
• Beispiel Proton:
• Möchte man das Proton als gesamtes betrachten, so streut man “mittelenergetische” Teilchen
(z.B. PSI)
• Möchte man die Bausteine des Protons untersuchen, wendet man hochenergetische (HERA,
TEVATRON, LHC)
T. Rohe, 27. November 2013
Streuexperimente
?
[Hans Peter Beck, Uni Bern]
T. Rohe, 27. November 2013
6
Streuexperimente
?
[Hans Peter Beck, Uni Bern]
T. Rohe, 27. November 2013
Streuexperimente
?
[Hans Peter Beck, Uni Bern]
T. Rohe, 27. November 2013
7
Streuexperimente
?
[Hans Peter Beck, Uni Bern]
T. Rohe, 27. November 2013
Rutherford-Experiment
 – Au - Streuexperiment von Rutherford (1909)
Licht
blitz
Winkelverteilung ?
4He
Erwartet
Kern (E ~ 5.5 MeV)
Beobachtet
T. Rohe, 27. November 2013
8
Atommodell von Rutherford
Beobachtung:
• Fast alle Alpha-Teilchen können die Goldfolie ungehindert passieren und werden nur leicht abgelenkt
• Größere Streuwinkel kommen dabei immer seltener vor, je größer der Winkel ist.
• Sehr wenige Alpha-Teilchen werden zurück gestreut.
Erklärung durch das “Rutherford’sche Atommodell”
• Im Zentrum jedes Atoms befindet sich ein Kern
• sehr klein: nur ~1/100000 des Atomdurchmessers
• massiv: trägt praktisch die gesamte Atommasse
• positiv geladen
• Heute wissen wir: der Kern besteht aus Protonen
und Neutronen
• Die negativ geladenen Elektronen
• bilden eine Hülle
• tragen zur Ablenkung der Alpha-Teilchen nicht (messbar)
bei, da sie sehr leicht sind
Elektron
Atom ~10-8cm
Kern ~10-13cm
100’000 mal kleiner, aber 99.95% der Masse
T. Rohe, 27. November 2013
Streuexperimente heute: PSI
Teilchenbeschleuniger erlauben Kollisions- und
Streuexperimente zur Bestimmung der mikroskopischen Struktur der
Materie sowie der Erzeugung von neuen Teilchen (Materie / Antimaterie)
PSI Ring-Zyklotron beschleunigt
~1016 Protonen pro Sekunde auf
590 MeV ~ 0.0006TeV (vergl. LHC: 2×7 TeV)
Proton Kollisionen:
p+p
p + n + + (Pion Produktion)
Masse
938.3 MeV/c2
938.3 MeV/c2
proton
proton
Total

1876.6 MeV/c2
Masse
proton 938.3 MeV/c2
neutron 939.6 MeV/c2
+
139.7 MeV/c2
Total 2017.6 MeV/c2
Massen Unterschied = 141 MeV/c2
Massive Teilchen
aus KollisionsEnergie
E=mc2
~20mg/year at PSI
T. Rohe, 27. November 2013
9
Einfaches Beispiel für Erzeugung eines Teilchens
pneutron
p + p  p + n + +
mneutron
Proton
Proton
neutron
protron
pion
Ebeam
Ebeam
mproton
pproton
mpion
ppion
pi , mi , i  4-Vektor

pi  ( Ei , pi )
(c=1)
[Roland Horisberger, PSI]
Messe für alle Teilchen :
Energie und Impulserhaltung erlauben Massenberechnung des erzeugten Teilchens:

2



 m X  ( 2 Ebeam,0)  ( p proton  pneutron )
 mx liegt im Bereich mX < 2 Ebeam/c2


Teilchen mit Masse mx muss selbst nicht beobachtet (detektiert/gemessen) werden.
 hermetische Teilchenphysikexperimente können auch unsichtbare Teilchen messen
T. Rohe, 27. November 2013
Erzeugung eines unbekannten Teilchens X0
Werden hier ein unbekanntes
Spielzeug -Teilchen X0 erzeugen!
Detektor
beschleunigtes Proton
beschleunigtes Proton
Proton
Proton
Teilchen X0 wird erzeugt durch:
p + p  + + - + X0 + + + - + p + p
+ + -
Detektor : misst Punkte der erzeugten Pionen
Berechne: Winkel & Energie aller Teilchen-Spuren
[Roland Horisberger, PSI]
Detektor
T. Rohe, 27. November 2013
10
Rekonstruktion des Teilchens

Messen für alle Teilchen: pi, mi, qi  4-vector pi  ( Ei, pi )
Für viele Ereignisse probieren wir sämtliche Kombinatonen von 2 Pionen und bestimmen
deren invariante Masse mX :
mX   p  p 
2
 Die richtige Kombination ergibt einen statistisch
signifikanten Peak bei der Masse des X0
K.Stenson,B.Drell, K.Ulmer (Univ. Colorado)
K0s  + + -
CMS Experiment at LHC
Prinzipiell
ist2009,
die 11:30
Sunday, 6. Dec.
Rekonstruktion schwerer
Teilchen
(from first 5hwie
of colliding beam at 2x450GeV,
run 123’596)
Beauty-, Top- or SUSY
oder
ParticleHiggs
Data Group Value
K0 mass:
0.49765 GeV/c2
Sehr
ähnlich.
H   messe E1,2 & q1,2 der Photonen
Mit dem elektromagnetischen Kalorimeter (ECAL)
T. Rohe, 27. November 2013
Teilchenzoo der 1960er Jahre
Viele “elementare” Bausteine (Teilchen) wurden gefunden:
Mesonen
~100 bekannt
Baryonen
p, n, N(1440)P11 , N(1520)D13 , N(1535)S12, ….
(1232)P33 , (1600)P33 , (1630)S31 , (1950)D35 , …(2429)PH3,11
0, (1405),01 , (1520)D03 , …(1810)P01 , …(2110)F05 ,….
+/-, 0, (1385)P13 , (1660)P11 ,…(1915)F15 ,…(2250)….
0, -, X(1530)P13 , X(1690) , X(1820)D13 , X(1950) , X(2030)
-, -(2250), +c , +c(2590),… c(2455),…c+/0 ,… 0b ….
~80 bekannt
Quark Modell
+/-, 0,  , 0(600), (770), (782), ’(958),...(1300),…3(1630),…
K+/-, K0, K*(892), K1(1270),...K*2(1430),…K*4(2045),…
D+/-, D0, Ds+/-, Ds*+/-, D*0(2007), D*+/-(2010),...D10(2420),..Ds1+/-(2536)
B+/-, B0, B*, Bs0, Bc+/-,….
(1020), c(1s), J/(1s), c0(1p), c1(1p),…(2s), (3770), (4020),
Y(1s), b0(1p), b1(1p), Y(2s), b0(2p), Y(3s), Y(4s), . . .
qq
qqq
Heute wissen wir: Mesonen und Baryonen sind nicht elementar ! (wir messen eine Substruktur)
Sie setzen sich aus punktförmigen Quark Teilchen zusammen!
Quarks
u
Leptonen e
d
s
e µ
c
b t
  
Leptonen & Quarks sind gemäss heutigem
Wissen die fundamentalen Bausteine der
Materie ! (keine Substruktur)
T. Rohe, 27. November 2013
11
Pion-Produktion im Quarkmodell
p + p  p + n + +
gluon (QCD) Quanten Chromo Dynamik
d
u
d
u
d
d
u
Pion Neutron
u
Proton
Raum Koordinate
Zeit Koordinate
Proton
Proton
u
d
u
u
d
u
Immer nur paarweise Erzeugung von Materi-Antimaterie
 in Beschleuniger-Experimenten wird nie (Anti-) Materie Produktion alleine erzeugt
T. Rohe, 27. November 2013
Standardmodell der Teilchenphysik
Elementare Bestandteile der Materie
und
Wechselwirkung zwischen ihnen
Symmetrien
Relativitätstheorie
Quantenmechanik
T. Rohe, 27. November 2013
12
Lagrange Formalismus
Die klassische Mechanik wurde von Newton formuliert:
Kraft = (träge) Masse × Beschleunigung
Das bedeutet
• Wirkt eine Kraft auf einen Gegenstand, ändert sich dessen Geschwindigkeit
• Je gösser dessen Masse ist, detso gösser muss die Kraft sein
• Kennt man Ort und Geschwindigkeit eines Körpers zu einem bestimmten
Zeitpunkt sowie alle Kräfte, die auf ihn wirken, kann man seine Bewegung
genau vorhersagen.
Isaac Newton
1642-1726
Alternative Formulierung durch
Euler, Lagrange & Hamilton
Lagrange Funktion (Dichte)
T= kinetische Energie
V= potentielle Energie
Leonhard Euler
1707-1783
J-L. Lagrange
1736-1813
W-R.Hamilton
1805-1865
Euler‘sches Wirkungsintegral ist minimal
Hamilton‘s Variationsprinzip
Euler-Lagrange Gleichungen
•
Bsp. konstante Kraft: L= ½ mq2 – qF → F = mq•• (Newton’sche Bewegungsgleichung)
T. Rohe, 27. November 2013
Symmetrien
Mathematischer Lagrange Formalismus erlaubt die
Konstruktion einer sog. Quantenfeldtheorie und die tiefe
Verknüpfung von Symmetrien des physikalischen Systems mit
Erhaltungsgrössen sowie die rigorose Konstruktionsprinzipien physikalischer
Theorien.
Theorem von Emmy Noether (1918):
Jeder Symmetrie steht eine Erhaltungsgrösse gegenüber
Beispiele:
Zeitinvairanz (die Naturgesetze bleiben mit der Zeit unverändert)
→ Energieerhaltung
Translationsinvarianz → Impulserhaltung
Rotationsinvarianz
→ Drehimpulserhaltung
Emmy Noether (1882-1935)
Mit Hilfe der Lagrange-Funtkion, lassen sich diese Zusammenhänge leicht mathematisch zeigen
Weiter gilt: lokale Eichinvarianz (gauge invariance)  Wechelswirkung (Kräfte)
T. Rohe, 27. November 2013
13
U(1) und QED
Mathematischer Formalismus der relativistische Quanten-Feld-Theorie (QFT) zuerst
formuliert als Eichtheorie der Quanten-Elektro-Dynamik (QED)
Diese Lagrange-Dichte lässt sich herleiten mit der Forderung nach lokaler Eichinvarianz unter der U(1)Symmetrieopreation (eine Drehung vom  um einen orts- und zeitabhängigen Winkel) .
Diese Forderung ist vollkommen willkürlich. Macht sie aber, folgt daraus
•Elektronen sind geladen
•Es gibt Photonen (“Lichtteilchen” = Anregung des elektrischen Feldes), die an die Ladung “koppeln”. Oder:
Die elektrische Kraft wird durch den Austausch von Photonen übertragen
Berechnung der Quanten-Elektro-Dynamik (QED) Prozesse über Störungstheorie und der dazu gehörigen
Feynman Diagramme
e+ e-  e+ eStreuung
Berechnung der Feynman Graphen ergibt experimentell verifizierbare Resultate
 QED ist die am besten getestete Theorie (10-10)
 über 100 Jahre Forschung lassen sich in einer fundamentalen Symmetrie zusammenfassen
T. Rohe, 27. November 2013
Schwache und starke Kraft
Für die anderen fundamentlen Wechselwirkungen, lassen sich ähnliche Symmetrien
finden.
Kernkräfte (sog. “starke” Kraft): SU(3) ist eine Drehung von 3 Quarks um 8 Phasenwinkel:
• Quarks koppeln an eine sog. “Farbladung”
• Es gibt 8 Gluonen, die an diese “Farbladung” koppeln und selber “Farbladung” tragen
→ Quanten-Chromo-Dynamik (QCD)
Schwache Kraft (wird u.a. benötigt, um die Kernfusion im innern der Sonne zu beschreiben): SU(2) ist eine
gemeinsame Drehung der Elektron- und Neutrinofunktion um 3-Phasenwinkel
• 3 massive Austauschteilchen (Vektor-Bosonen)
Damit sind die Wechselwirkungen zwischen allen bekannten Elementarteilchen im Prinzip berechen- und
experimentell verifizierbar. Mache Berechnung sind sehr schwierig und z.T. nur näherungsweise möglich.
T. Rohe, 27. November 2013
14
Masse der Teilchen
Quantenmechanik
Reltivitätstheorie
Symmetrieoperationen
Aber: Alle Teilchen sind “masselos”
• Das einfügen von “Massetermen” in die bisherigen
Darstellungen der Lagrangedichte würde die
Eichinvarianz zerstören
• Wir wissen aber, dass die Teilchen Masse besitzen
“The Path to Feynman Diagrams” by Martinus Veltman (Nobel Prize,1999)
Das “Stadardmodell” der Teilchenphysik wird getragen von
•
•
•
Peter Higgs, Robert Brout, Francois Englert (u.A.) 1964
(Nobel-Preis für Physik 2013, Verleihung am 10.12.)
Fügen der Lagrangedichte Terme zu, die das Verhalten “massiver” Teilchen beschreiben :
• Diese Technik (spontane Symmetriebrechung) war aus der Beschreibung der Supraleitung bekannt
Die Interpretation dieser Terme:
• Das Vakuum ist nicht leer sondern durchsetzt mit einem neutralen, skalaren Feld (), dem Higgsfeld
• Die Wechselwirkung mit diesem Feld bremst die Teilchen
• (träge) Masse ist keine intrinsische Eigenschaft sondern Effekt der Wechselwirkung mit dem Higgsfeld
• Die unterschiedliche Masse der Elementarteilchen erklärt sich durch die unterschiedlich startke Kopplung
and das Higgfeld
• Das Higgsfeld kann man anregen → Higgsteilchen
T. Rohe, 27. November 2013
“Politische” Erklärung
Im Jahr 1993 hat der Britische Wissenschaftsminister Waldegrave einen Preis
ausgelobt für denjenigen, der ihm den Higgsmechanismus erklären kann. Gewonnen hat David
J. Miller vom Unversity College London:
Higgs-Mechnismus
• Man stelle sich eine Coctailparty mit Party mit Parlamentariern vor. Sie sind gleichmässig im Raum
verteilt. Jeder spricht mit den Personen in seiner Umgebung. Die Partygäste stellen das Higgsfeld im
Vakuum dar.
• Nun betritt die ehemalige Premierministerin den Raum. Bewegt sie sich durch den Raum, zieht sie die
Personen in ihrer Umgebung an, diejenigen, die sie zurücklässt beginnen wieder ein Gespräch mit den
Nachbarn. Wegen der Meschentraube um sie herum hat sie einen grösseren Impuls als andere Gäste.
Ist sie einmal in Bewegung, benötigt sie mehr Kraft zum stoppen. Steht sie einmal, benötigt sie mehr
Kraft um wieder inb Bewegung zu kommen. Sie ist also träger als andere Partygäste, oder die
Partygäste geben ihr Masse. Ähnlich (in 3 Dimensionen unter Einbeziehung der Relativitätstheorie und
Quantenmechanik) funktioniert der Higgs-Mechanismus.
Higgs-Teilchen
• Die Tür öffnet sich und jemand streut ein Gerücht in den Raum. Diejenigen nahe der Tür bilden
Grüppchen, um mehr zu erfahren. Eine Welle geht durch den Raum. Dort, wo sich das Gerücht befindet
ist auch eine Menschentraube. Die sich bewegende Menschentraube ist auch “träge”, also sie hat eine
Masse. Diese “Anregung” des Feldes, stellt das Higgs-Teilchen dar.
[http://www.hep.ucl.ac.uk/~djm/higgsa.html]
T. Rohe, 27. November 2013
15
Zusammenfassung Standardmodell
Alle uns umgebende Materie
ist aus 12 Teilchen und deren
Anitteilchen zusammengesetzt
• Die Teilchen kommen in 3 Generationen vor
• Es gibt experimentelle Hinweise, dass es keine
weiteren Generationen gibt
• Die Teilchen der 2.-3. Generation sind instabil
• Die Wechselwirkungen zwischen diesen
Elementarteilchen geschieht durch den
Austausch sog. Bosonen
• Die träge Masse dieser Teilchen ist ein Effekt der
Wechselwirkung mit dem das Vakuum füllenden
Higgsfeld
• Die aus Symmetriebetrachtungen hergeleiteten
mathematischen Modelle (“Theorien”) dieser
Wechselwirkungen erlauben überprüfbare
Vorhersagen zu machen
Nur wo ist das Higgsteilchen?
T. Rohe, 27. November 2013
Kurzer Überblick CERN
LHC
CMS - Experiment
2008
Cessy
Sector 3-4
Point 5
SPS
ATLAS
LEP Tunnel
1985
CERN Site (Meyrin)
T. Rohe, 27. November 2013
16
Gründung des CERN
Der Beginn ist nicht ganz klar. Zwei
“Wurzeln” werden genannt:
• Der Vorschlag von Denis de Rougemont beim Centre
Européen de la Culture “CEC” im Dez. 1949 in Lausanne
• Der Vorschlag verschidener Physiker (de Broglie, Bohr,
Auger, Amaldi, …) ein europäisches Atom-ForschungsLabor zu gründen um die europäischen Physiker nach
dem Krieg wieder zusammenzuführen.
1952 wurde eine provisorische Körperschaft, das Conseil
Européen pour la recherche nucléaire (CERN) unter dem
Dach der UNESCO gegründet. Mandat: Schaffung eines
Instituts fuer physikalische Grundlagenforschung.
1953 Genf wurde als Standort bestimmt (mit Lobby-Arbeit
von P. Scherrer und P. Preiswerk). In Genf fand ein
Referendum statt.
1954 Die Europäisches Organisation für Nuklearforschung
wurde gegründet. Es gab 12 Gründungsmitglieder: A,B, CH,
D, DK, F, I, N, NL, S, UK und Jugoslavien. Das Conseil
wurde aufgelöst, der Name CERN aber beibehalten.
CERN ist keine Organisation der EU
T. Rohe, 27. November 2013
CERN heute
Anzahl der Mitgliedsstaaten ist auf
20 angewachsen + 3 Kandidaten + 7 Beobachter
+ 37 mit Kooperationsvertrag
Jeder Mitgliedstaat gibt einen festen Anteil zum Gesamtbudget
(~1Mrd CHF/a) proportional zum Bruttosozoalprodukt
(verlässliche und langfristige Finanzplanung)
Forschungsgebiete
• Teilchenphysik
• Astro-Teilchenphysik und Kosmologie
Arbeitsweise
• CERN baut die Experimentieranlagen
(Teilchenbeschleuniger)
• Meist externe Forscher schlagen Messungen vor
und führen sie durch
• Die Strahlzeiten werden anhand wissenschaftlicher
Evaluation zugeteilt
• Die Nutzung der Anlagen ist gratis, aber es besteht
Veröffentlichungszwang (nichts bleibt Geheim)
• Den ~2500 CERN-Angestellten, stehen ~10’000
Nutzer aus über 600 Instituten gegenüber
T. Rohe, 27. November 2013
17
Beschleuniger am CERN
2008
LEP 1989-2000
1973
1959
T. Rohe, 27. November 2013
Die CMS Kollaboration
Die “Kollaboration” ist eine Organisation, die ersteinmal unabhängig von CERN
gegründet wird. Diese besteht aus Forschern vieler Universitäten und Institute.
Diese Organisation unterbreitet dem CERN (genauer dem Begutachtungsgremium LHCC) einen
Vorschlag für ein Experiment.
Diese werden in mehreren Stufen: LoI, TP, TDR, EDR begutachtet.
Ddazu gibt es ein MoU in dem die Finanzierung geregelt ist.
Die CMS-Kollaboration besteht z.Zt. aus ~4300 Personen
•
•
•
•
•
•
•
•
•
1740 Physiker/Wissenschaftler (alle Autoren der Veröffentlichungen)
845 Doktoranden (teilweise auf der Autorenliste)
790 Ingenieure
690 Studenten
CMS-Autorenliste: ~2100 Personen
• Die Aufgaben werden in Pakete aufgeteilt und verschiedenen “Unter-Ckollaborationen” übertragen
• Betrieb und Wartung von Teilen des Detektors und seiner Infrastruktur
• Verarbeitung der Rohdaten zu auswertbarer “Physik-Information”
• Datenanalyse
• Planung und Bau von verbesserten Komponenten (sog. Upgrades)
• Strategische Entscheidungen trifft das Managemant Board dem die Spokesperson vorsitzt
• Diese werden vom “Collaboration Board” (ist sotwas wie der Ständerat) überwacht
• Niemand hat wirklich “Macht” – einige jedoch eine Menge Einfluss
• Man versucht “Machtkämpfe” zu vermeiden und Überzeugungsarbeit zu leisten
T. Rohe, 27. November 2013
18
CMS – Organisation eines Experimentes
T. Rohe, 27. November 2013
Das CMS Experiment
Wichtiger Beitrag von ETHZ und PSI
protons
protons
4T Supraleitender
Magnet
Pixel Detektor
(CH Beitrag)
PSI, Uni ZH, Uni BS, ETHZ
T. Rohe, 27. November 2013
19
Querschnitt des Detektors
T. Rohe, 27. November 2013
20
21
22
CMS Areal im Jahr 2000
T. Rohe, 27. November 2013
Zusammenbau der Eisenstruktur
2002
T. Rohe, 27. November 2013
23
Zusammenbau des Magneten
● Supraleiter gewickelt durch Kabelwerke
Brugg
● Einbetten in Rein-Alumin Cortaillod SA
T. Rohe, 27. November 2013
Einbau des Magneten
Sept 05
T. Rohe, 27. November 2013
24
Das “Blech” für Hadron-Calorimeter
T. Rohe, 27. November 2013
Endkappen des Myon-Detektors
T. Rohe, 27. November 2013
25
Bau der Untergrundhalle
2003
Halle ist ~100m unter Tage
2004
T. Rohe, 27. November 2013
Herunterlassen des Zentralen Teils (2400t)
FebYB0
2007(Feb’07)
T. Rohe, 27. November 2013
26
Einbau des Streifentrackers
Aug. 2007
T. Rohe, 27. November 2013
Spurdetektoren in CMS
Fläche #Kanäle
~ 1 m2
65 Million
Silicon Strip Detector ~ 200 m2
12 Million
Silicon Pixel Detector
Installation:
• Silizium Streifen Tracker
• Pixel Detektor am Schluss
T. Rohe, 27. November 2013
27
Pixel-Detektor
Photo : R. Horisberger, PSI
Jan. 08
R&D, Entwurf
und Bau am PSI
~12 Jahre
T. Rohe, 27. November 2013
Imperfektionen der Versuchapperatur
primary vertex reconstruction of high pile up event
Detector
K0
x
r-z-view of 78 vertices
Detector
Echte Detektoren haben
•Masse
•Pile-Up
•Auflösung
•Datenrate
 Teilchen werden gestört (Vielfachstreuung, -Konvertierung, Kern-WW)
 Spurrekonstruktion: Efficienz / “fakes”
 Spuren nicht trennbar
 Begrenzte Statistik bei seltenen Zerfällen
Was tun?
•Mehr Lagen
 Eventrekonstruktion wird robuster
•Genaue Messung  Spur-Trennung, Rekonstruktion verschiedener Vertices
•Leichter
 Weniger Störungen der Bahnen, aber im Widerspruch zu Oben
•Lokaler Datenspeicher, schnelle Links komplizierte Auslese -Electronik
T. Rohe, 27. November 2013
28
Hybride Pixel Detektoren
Geladenes Teilchen oder Photon
Pixel- Sensor
Vorverstärker&
Auslesechip
CMOS
Qsignal
Power
Indium Bump
Bonds
Clock Inputs
DrahtVerbindungen
Strom
Steuersignale
Ausgang
Data Outputs
Teilchen Signalladung  Vorverstärker  Auslese  Digitale Daten
T. Rohe, 27. November 2013
Aufbau eines Pixelmoduls
Kapton Signal Kabel
21 Spuren, 0.3mm pitch
Modul Bau
Alu-Stromversorgung
6 x 250 ribbon
In Leichtbauweise
 2.20 g
PCB
3 Layers, 48 thick
Silicon Sensor d=285
100 x 150 pixels
-bump bonding
16 x Auslesechips
(CMOS) 175 thick
SiN base strips
250 thick, screw holes
1996 war dies “sehr ambitioniert”:
Kritische Punkte:
1) Strahlenhärte der Sensoren
bei Teilchenfluenzen von 1015 p/cm2
- Signalladung? Trapping?
- Lorentz Winkel?
- Verarming & Typinversion?
- Spannungsfestigkeit?
2) Mikro-Bump Bonding
- Machbar für <20 bumps ?
- Kosten?  Budget?
3) Auslesechip (ROC)
- Leistungsaufnahme
- Geschwindigkeit?
- Rauschen & Schwellen?
- Strahlenhärte? (>100KGy) Kosten?
4) Datenrate & Auslese
- 10 Tbit/sec Rohdaten
- ???????????
Schrauböffnungen
5) 6)…. Physics performance?
T. Rohe, 27. November 2013
29
Sensor
Charge sharing of signal charge
Design of sensor masks at PSI
precision coordinates ~10-20
in both directions r- & z
n+
B=
3.8T
Lorentz angle
of charge drift
In depleted silicon
E
T. Rohe, PSI
amplifier
pixel
Silicon sensor production
 CIS, Erfurt Germany
T. Rohe, 27. November 2013
Silizium-Sensor Scheiben
p-side
n-side
Mirror
Doppelseitige Silizium Pixel Sensor Scheibe
Photo: T. Rohe
T. Rohe, 27. November 2013
30
Mikro-Mumb-Bonden am PSI
Indium “cakes” before reflow
• Verbinden Sensorpixel mit Mikroelektronik
• Verbindungsdichte bis 10’000/cm2
• Mikrolötkugel Technik am PSI entwickelt
Bumps on CMOS pixel read out chip
reflow
16mm
Indium balls after reflow
T. Rohe, 27. November 2013
Auslese-Chip
2 x80 Pixel Doppelkolonne
IBM_PSI46
CAD layout
Column Drain Architectur
4160 Pixel pro Chip
Grösse: 100µm×150µm
251 Transistoren pro Pixel
35 µW/pixel bei 25ns Anstiegszeit
Schwelle: ~2500 e
Strahlenhärte ~1 MGy
9.8 mm
•
•
•
•
•
•
CMS Pixel ROC
0.25 CMOS IBM
200mm Wafer (8”)
timestamp &
data buffers
zoom in
Fertigung der Wafer: IBM USA
Abschleifen auf 175µm → em Marin, NE
Sägen → Powatec in Hünenberg, ZG
8.0 mm
T. Rohe, 27. November 2013
31
butting chip side, cut within 50 of transistors !
Layout-Detail
T. Rohe, 27. November 2013
Eine Pixel Zelle
bump
pad
251 Transistors / pixel
T. Rohe, 27. November 2013
32
Test dieser Komponenten
Um sicherzustellen, dass alle Komponenten die Anforderungen erfüllen,
sind Tests mit “echten” Teilchen an Beschleunigern notwendig. Die Wahl
der Strahllinie/des Beschleunigers richtet sich nach dem Parameter, dass
man Testen möchte:
• Genauigkeit (hohe Teilchenenergien: CERN SPS, PS, FNAL, DESY)
• Verhalten unter hohen Teilchenströmen (PSI, CERN SPS)
• Nachweiseffizienz
Meist werden die Komonenten vor dem Test künstlich gealtert.
Messvorrichtungen und Auswerte-Software müssen selber bereitgestellt
werden
T. Rohe, 27. November 2013
Zusammenfügen der Roh-Module
Pixel Sensor mit
UBM & Indium Kugeln
16 getestete CMOS ROC
chips mit UBM & Indium
“Rohmodul”
Photos: S. Streuli. PSI
T. Rohe, 27. November 2013
33
Aufkleben von Keramik-Streifen
Si3N4 Keramik besitzt fast
die gleiche thermische
Ausdehnung wie Silizium
Schrauböffnungen
Photos: S. Streuli. PSI
T. Rohe, 27. November 2013
PCB und Kabel
HV-Kondensator
HIGHTEC MC AG
Lenzburg
High Density Interconnect (HDI)
3 Lagen, 48 dick
DYCONNEX
Bassersdorf
ELECTRISOLA
Eschholzmatt
Kapton Signalkabel (21 Spuren, 0.3mm Pitch)
Cu-gemanteltes Aluminum Power cable (6 wire ribbon) ~1A
KUK
Appenzell
Photos: S. Streuli. PSI
T. Rohe, 27. November 2013
34
Fertiges Modul
LAUBSCHER
Täuffelen BE
Photos: S. Streuli. PSI
FELASTEC
Gümligen BE
T. Rohe, 27. November 2013
Zusammenbau
M ontage der Module auf der Kohlefasermechanik mit eingelegten Kühlrohren
Pixel Barrel Mechanik (Kohlefaser)
T. Rohe, 27. November 2013
35
Anschrauben
Photo: S. Streuli. PSI
T. Rohe, 27. November 2013
Testen
Photo: 12.March 08, 10:23
T. Rohe, 27. November 2013
36
16128 Verbindungen müssen stimmen
21 Pin Stecker
mit 0.3mm Pitch
T. Rohe, 27. November 2013
Test des Gesamtsystems
T. Rohe, 27. November 2013
37
Eine fertige Detektorhälfte
T. Rohe, 27. November 2013
CMS vor dem Einbau
T. Rohe, 27. November 2013
38
Transport nach Cessy
17 July.08
23 July.08, ~13h
Party-Zelt als “Reinraum” in Cessy
Fotos: R. Horisberger
T. Rohe, 27. November 2013
Einbau
Pixel Installation
28. July 2008
Barrel Pixel Detector
shifting into CMS
Fotos:Frank Meier
T. Rohe, 27. November 2013
39
CMS fertig zur Datennahme
August 2008
T. Rohe, 27. November 2013
Störfall vom 19.09.2008
Fehlerhafte Lötverbindung erzeugte
einen Lichtbogen, schmolz
Metalleigungen und verursate ein Leck
im Heliumbehälter
T. Rohe, 27. November 2013
Die gespeicherte Energie in den Magneten führte zu einem
explosiven Verdampfen des Heliums und zu einer Schockwelle, die
einige 20t schwere Magnete von ihren Betonsockeln schob
→ 53 Magnete betroffen
Herbst 2009: Alle Magnete repariert, alle Lötverbindungen
getestet, zusäzliche Sicherheitsventiele eingebaut
 Neustart des LHC (Nov. 2009)
40
Neustart im Nov/Dez 2009
Erste pp-Kollisionen des LHC im CMS-Experiment aufgenommena am 23.11.09
Erste “saubere” 5h lange pp-run mit 11’000 triggern: 6.12.2009
T. Rohe, 27. November 2013
prod
LHC
event
rate [Hz]
Physikalische Prozesse beim LHC
c-, b-quark physics
1010
LHC 7TeV
u-, d-, s-quark physics
K0 , 0, 
LHC 14TeV
pp-Kollisionen at 7TeV
W & Z0 - physics
t-quark physics
Higgs – physics
BSM, higher dim.
“Interesannte” Prozesse sind
sehr selten!
T. Rohe, 27. November 2013
41
Detektorkalibration mit bekannten Prozessen
Ecm = 7 TeV
Data CMS
Preliminary
0
K0short =ds
= uds
 = sss
 = dss
CMS Preliminary
CMS Preliminary
T. Rohe, 27. November 2013
Zerfallskanäle des Higgs
M. Spira /PSI
H  ZZ*
H  
H  H  W+WH  bb
.
.
.
observed
Theoretisch berechnete Higgs-Zerfallwahrscheinlichkeiten
Suche nach dem Higgs geschieht in verschiedenen Zerfallskanälen.
Dies erlaubt ein Vergleich von Messdaten mit theoretischen Vorhersagen.
T. Rohe, 27. November 2013
42
H  ZZ*  4 
6.7 (7.2 exp.)
Pixeldetektor ist wichtig für diese Analyse, um
herauszufinden, dass alle 4 Myonen vom gleichen
Punkt stammen
T. Rohe, 27. November 2013
Higgs → 
Zerfall in Standard Model (SM) Theorie
mit einer Wahrscheinlichkeit von 2x10-3
T. Rohe, 27. November 2013
43
Vergleich mit den theoretischen Erwartungen
Bisher ist das neue Teilchen vertäglich mit den Vorhersagen für das Standard-Modell-Higgs.
Für genauere Aussagen sind mehr Daten notwendig.
T. Rohe, 27. November 2013
Fertig ?
Sind nun die alle Prozesse der Teilchenphysik Verstanden? Nein!
Defizite des Standartmodells Suche nach neuer Physik:
• Gravitation
• Ist mikroskopisch nicht verstanden
• Beste Beschreibung für grosse (astronomische) Systeme ist die Allgemeine Relativitätstheorie
• Dunkle Materie
• Die Rotation der Galaxien ist nur bei Annahme von grossen Mengen unsichtbarer Materie erklärbar
• Diese muss einen Grossteil der Materie im Universum ausmachen
• “Baryonische” Materie (Steine, Felsbrocken, Gas) scheiden aus (Urknall)
• Neutrinos auch
• Idee der Supersymmetrie
• Dunkle Energie
• Grundlegendere Überlegungen
• Warum 3 Generationen von Elementarteilchen?
• Viele “freie Parameter”
Dunkle Materie (1933)
• Zusammenführung der Wecheslwirkungen 
(GUT)
• Gültig für noch höhere Energien?
• …..
Andromeda, M31
→ Die Suche nach “neuer Physik” beginnt erst und ist sehr spannend
T. Rohe, 27. November 2013
44
SUSY
Super Symmetry ist eine Familie von
Theorien, welche die Standard Model Theorie um eine
neue fundamentale Symmetrie zwischen Fermionen (Spin ½) und
Bosonen (Spin 1) erweitern  nebst normalen Teilchen müsste Natur
auch SUSY Teilchen erlauben, resp. haben.
 Liefert einen “attraktiven Kandidaten” für die Dunkle Materie
SM 1 Higgs
SUSY 5 Higgs
Susy Teilchen in p-p-Kollisionen am LHC würden sich durch fehlende Energie im Detektor
bemerkbar und rekonstruiebar machen.
Sorgfälltige Suche in den Daten durch ATLAS & CMS  bisher nichts gesehen!
T. Rohe, 27. November 2013
Die Kraft der Quanten-Fluktuationen
http://www.psi.ch/media/seltene-teilchenzerfaelle-stuetzen-standardmodell
Von der Hoch-Energie zur Hoch-Intensität
Beschleuniger haben eine maximale Engergie, Quantenfluktuationen nicht (t E < h)!
Durch sog. “Loop”-Diagramme kann die Existenz sehr schwerer Teilchen (zu schwer, als dass sie mit
einem Beschleuniger erzeugt werden können) Messgrössen beeinflussen.
Am PSI finden 2 Experimente auf diesem Bereich statt (MEG und edm),
CMS hat unter der Federführung von Urs Langenegger, PSI folgende Messung gemacht:
Bs(d)  +- Zerfall ist sehr unwahrscheinlich im SM, aber möglich in anderen Modellen (z.B. SUSY)
SM Vorraussage:
BR = 3.5×10-9
Messergebnis
BR = 3+1.0-0.9×10-9
 Einschränkungen für
SUSY & BSM Theorien
T. Rohe, 27. November 2013
45
Warum Grundlagenforschung?
Um die Welt besser zu verstehen!
T. Rohe, 27. November 2013
Ziele der Grundlagenforschung
Ziel von Grundlagenforschung allgemein ist es die Welt besser zu verstehen
Dies ist
• Teil unserer Kultur
Bob Wilson (Gündungsdirektor des Fermilab) wurde von einem Congressabgeordneten gefragt “What will your lab contribute
to the defense of the US?” Seine Antwort: “Nothing, but it will make it worth defending”
• Keine Wirtschaftsförderung (zumindest nicht in erster Linie)
Wichtige technische Errungenschaften beruhen auf Ergebnissen der Grundlagenforschung
Beispiel:
Quantenmechanik (Beginn 20.Jh) → Quantentheorie der Festkörper → Transistoren (1948)
→ Digitale Elektronik → Mikroelektronik → IT-Indutrie
Zweifelt noch jemand am wirtschaftlichen Nutzen der Quantenmechanik?
Kosten
• Geht man an Grossforschungseinrichtungen, so sieht man viele teure Geräte
Aber
• Die Forschungsanlagen werden von vielen Wissenschaftlern über einen langen Zeitraum (~20 Jahre) an
einem Ort gebündelt
• CMS: Kosten ~500 Mio CHF. ~2500 “echte” Forscher über 20 Jahre → Weniger als 1000 CHF pro Monat
(fragen Sie mal einen Chemie-Laboranten, was er im Monat für Chemikalien benötigt ..)
T. Rohe, 27. November 2013
46
Nebeneffekte
Folgende positive Effekte konnen kein Forschungsfeld rechtfertigen, sind aber doch
erwähneswert:
Ausbildung junger Wissenschafter
• Am CMS Experiment doktorieren z.T. ~800 Studierende
• Sie lernen nicht nur wissenschaftlich, sonderen auch Internationale Zusammenarbeit!
• Die meisten nehmen danach Stellen in der Wirtschaft an
Spin-offs
• Teilchenbeschleunger
• Krebstherapie
• Ionen-Implanter (Halbleiter-Industrie)
• Synchrotronlicht
• Neutronenquellen
• Detektoren
• Biologie/Kristallographie
• Medizin-Diagnose (PET)
• Elektronenmikroskope
• ….
T. Rohe, 27. November 2013
Dectris: Röntgendetektoren für Forschungszwecke
Zählender (rauschfreier) Pixel-Detektor für Synchrotron-Anwendungen
Spin-off vom PSI (1997) → ursprünglich für Teilchenphysik konzipiert
2006 gegründet
2011 ~ 35 Angestellte
Beliefert sämtliche
Synchrotronstrahlungsquellen der
Welt
Ch. Brönnimann
M. Naef
E. Eikenberry
Firma wurde mehrfach ausgezeichnet
•BESSY-Innivation prize 2009
•Swiss economic award 2010
T. Rohe, 27. November 2013
47
Zusammenfassung
Teilchenphysik
• Teilchenphysik erforscht die innere Struktur der Materie
• Sie ist eng mit Fragen der Astrophysik und der Kosmologie verwoben
• Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt bisher alle bekannten Prozesse der Mikroskopischen
Physik mit grosser Genauigkeit. Es basiert auf Symmetrieüberlegungen.
CERN/LHC
• Das CERN ist eine unabhägige Oranisation, die Anlagen zur Forschung mit Elementarteilchen zur
Verfügung stellt. Sie betreibt den LHC.
• Das CMS Experiment wird von vielen Univeritäten und Instituten (darunter PSI, ETHZ, UniZh) betrieben
• Schweizer Institute haben einen wichtigen Teil (Pixeldetektor, em-Kalorimeter) beigesteuert.
• Die Entdeckung des Higgs-Teilchens ist ein weiterer Meilenstein im Verständnis der Struktur der Materie
• Nach der Wiederinbetriebnahme der LHC 2015 wird die Suche nach “neuer Physik” fortgesetzt
Es bleibt aufregend!
Grundlagenforsung
• Ist wichtiger Teil unserer Kultur
• Langfristiger (technischer) Fortschritt ist nicht ohne sie zu erreichen
• Hat nützliche Spin-offs
T. Rohe, 27. November 2013
Mein Dank geht an
…Sie für Ihre Aufmerksamkeit
…Judith Meier vom Treffpunkt-Team für die Möglichkeit hier zu sprechen
…Roland Horisberger (PSI), Hans Peter Beck (Uni Bern), Quentin Ingram (ehemals PSI) und vielen anderen
für das zur Verfügung gestellte Material
T. Rohe,
PSI, 31.
27. November
Januar 2014
2013
48
Zum Abschluss
T. Rohe, 27. November 2013
Suche nach Schwarzen Löchern
Speculative Extra Dimension Theory
would have micro quantum black
holes
T. Rohe, 27. November 2013
49
Herunterladen
Explore flashcards