Die Entdeckung des Gluons Laura Gil

Protonen bei höchsten Energien
QuantenChromoDynamik
und
Physik am LHC
Katerina Lipka [email protected]
Isabell Melzer-Pellmann [email protected]
http://www.desy.de/~knegod/HGF/teaching/katerina/
1
Organisatorisches
Zielgruppe: Master und Diplom- Studenten
Ablauf:
• Vorlesung Mittwochs 14:00-15:30, Jungiusstrasse 9, Hörsaal III
• Seminar: Freitags 14:00-15:30 am DESY
Vorausgesetzt: Quantenmechanik, Physik V
Erwünscht: Elementarteilchen für Fortgeschrittene, Detektorphysik
Empfohlen als Begleitkurs: Quantenfeldtheorie, Elektroschwache
Wechselwirkungen, Datenanalyse in der Physik
Scheine gibt es für:
• Seminarvortrag
• Aktive Teilnahme an mind 10 Vorlesungen (sonst mündliche Prüfung)
2
Organisatorisches: Vorlesung
Wann und Wo:
Mittwochs 14:00-15:30, Jungiusstrasse 9, Hörsaal III
Erste Vorlesung: 07 April 2010
Letzte Vorlesung: 14 Juli 2010
Pfingstferien: 23.05 - 30.05 Vorlesung am 26.05. 2010 fällt aus
Vorlesung Teil I:
V2: Einführung in QCD : Theoriegrundlagen
V3: Experimentelle Tests der QCD
V4: Experimente an Teilchenbeschleuniger
V5-V7: Struktur des Protons
Literaturliste:
QCD and Collider Physics" R. K. Ellis, W.J. Stirling, B.R. Weber
"Introduction to Elementary Particles" D. Griffiths
"Feynman-Graphen und Eichtheorien fuer Experimentalphysiker" P. Schmüser
"The Structure of the Nucleon" A. W. Thomas, W. Weise
"Foundations of Quantum Chromodynamics" T. Muta
3
Organisatorisches: Seminar
Wann und Wo
Freitags 14:00-15:30, DESY Notkestrasse 85 22607 Geb.1 Seminar Raum 3a
Vorbereitungstermine: 09 April, 16 April
Erster Seminar 30 April
Ausfalltermine 28 Mai (Pfingstferien), 12 Juni (Konferenz "Physics at the LHC„)
Was tun
• Für jeden Seminar werden 2 Vortraege vorgesehen.
• Jeder Vortrag ist 30 Minuten.
• Manche Themen koennen von 2 Studierenden geteilt werden
• Material wird mit Hilfe der Vorlesenden ausgesucht
• Vortrag ist in Deutschen oder Englischen Sprache vorzubereiten
Wie
Präsentation kann mit beliebigen Programm vorbereitet werden
Laptop und Beamer stehen zur Präsentation zur Verfügung
Themen sollen bis 09 April 2010 ausgesucht und mitgeteilt werden
4
Organisatorisches: Seminar
Themen-Vorschläge Teil I:
T1 Bestimmung der Anzahl der Leptonen-Familien, Zusammenhang mit Nf
T2 Entdeckung des Strange Quark
T3 Entdeckung des Charm Quarks
T4 Entdeckung des Beauty Quarks
T5 Entdeckung des Top Quarks
T6 Was ist eine "pole mass", was ist eine "running mass"?
T7 Protonstruktur bei hohem x. Messungen der Fixed-Target Experimente
T8 Nukleon Spin Puzzle (kann geteilt werden)
T9 Erfolge der QCD (kann geteilt werden)
T10 2010 Jahr des D*± Mesons. Entdeckung. Charm tagging.
T11 LHC b Detektor und Physikprogramm (geteilt)
T12 ALICE Experiment am LHC (geteilt)
T13 Higgs Physik (Higgs Potential - warum muss es Higgs geben?)
T14 SUSY (warum braucht man Supersymmetrie?)
T15 Jet Algorithmen
T16 Ihr Vorschlag
5
Protonen bei höchsten Energien
QuantenChromoDynamik
und
Physik am LHC
Ziele?
Verbindung zwischen QCD und LHC Physik?
6
Hochenergiephysik : Warum?
Physik
Die Frage nach dem Leben, dem Universum
und dem ganzen Rest
7
Die Frage nach dem Leben, dem Universum
und dem ganzen Rest
Was wir vom Universum heute wissen
Modernes Weltbild
Größe des sichtbaren Universums:
13,7 Milliarden Lichtjahre
75% Dunkle Energie
21% Dunkle Materie
4% Sichtbare Materie
Fundamentale Teilchen und Kräfte
Veraltetes Weltbild
Wie hat es angefangen?
8
t < 10-43 s, T = 1032 K = 1019 GeV = 10-34 m
Universum expandiert
t=10-43
?
Gravitationskraft entkoppelt
alle anderen Kräfte vereint
9
t < 10-35 s, T = 1027 K = 1016 GeV = 10-32 m
Expansion: doppelte Größe / 10 s
t=10-32 s
Elektroschwache, Starke Kraft
entkoppeln
Materie-Antimaterie ~1/109
Quarks zu heiß um Hadronen zu
formen:
Quark-Gluon Plasma
10
t < 10-10 s, T = 1015 K = 100 GeV=10-18m
Elektromagnetismus und
Schwache Kraft entkoppeln
Alle 4 Kräfte sichtbar
Quark - Antiquark Vernichtung:
→ sichtbare Materie
Zerfall instabiler schwerer Teilchen
11
t = 10-4 s, T = 1013 K = 1 GeV = 10-16 m
Nukleonen gebildet
Elektron-Positron Vernichtung
Űberfluß von Elektronen
Proton/Neutron = 75/25
Größe des Universums ~ unser
Sonnensystem
12
t = 100 s, T = 109 K = 0.1 MeV =10-12 m
Kerne gebildet
Űbrige Neutronen zerfallen
Protonen/Neutronen = 87/13
Universum: Protonen + Helium
13
t = 300000 Jahre, T = 6000 K = 0.5 eV = 10-10 m
Elektronen werden von Atomen
gefangen
Elemente:
Wasserstoff, Helium, Lithium
Universum wird heller
Es werde Licht!
14
t = 109 Jahre, T = 18 K
Lokale Fluktuationen der
Massendichte
→ Formation der Galaxien
Nukleosynthese:
Schwerere Kerne gebildet
15
t = 15000 M Jahre , T = 3 K …
Die Fragen von Heute:
Was ist Materie? Woraus besteht die?
Was hält sie zusammen?
Fundamentale Teilchen und Kräfte
Grundlegende Symmetrien
16
Fundamentale Teilchen und Kräfte
12 Bausteine und ihre Antiteilchen: 3 Fermion-Familien
1 Familie:
2 Familie:
3 Familie:
4 fundamentale Wechselwirkungen (WW)
Gravitation, Elektromagnetismus, schwache, starke WW
Erzeugen, binden und vernichten Teilchen mit Hilfe des
Austauschs von Austauschteilchen: Bosonen
Graviton,
Photon,
W, Z Boson, Gluon
17
Das Standard-Modell der Teilchenphysik
• Beschreibt die fundamentalen Wechselwirkungen
– Starke Kraft (Kernkraft)
– Schwache Kraft (Umwandlungsprozesse von Teilchen)
– Elektromagnetische Kraft
• Gute Beschreibung aller bekannten Prozesse
– Zerfälle von Teilchen
– Innere Struktur nicht fundamentaler Teilchen
• Systematik aller bekannten Teilchen
• Beruht auf Symmetrie-Prinzipien
• Sehr erfolgreiche physikalische Theorie
18
Die Fragen des Standardmodells
•
3 Fermion-Familien
– Stabile Materie (p, n, e)
nur aus erster Familie
Warum drei ?
•
Alle Wechselwirkungen beruhen auf Ladungssymmetrien
Warum diese Symmetrien ?
• Weitere Symmetrien ?
– Fermion – Austauschboson Symmetrie (Supersymmetrie)?
19
Symmetrien in der Physik
•
•
•
•
Vereinfachung von Problemlösungen
Erkennen von Systemeigenschaften: Erhaltungsgrößen, Invarianz
Klassifizierung
Vereinheitlichung der Naturkräfte
Noether Theorem: Symmetrie → Erhaltungsgröße (→ Kraftgesetz)
Physikalische Gesetzte sind unabhägig von:
Nullpunkt der Zeitachse → Erhaltung der Energie
Nullpunkt der Raumachsen → Erhaltung des Impulses
→ Newtonsches Kraftgesetz
Richtung der Raumachsen → Erhaltung des Drehimpulses
20
Eichsymmetrien:
Folgerung aus dem Noether-Theorem
• Die Natur besitzt eine lokale Eichsymmetrie
• Die lokale Eichsymmetrie ist ein fundamentales Naturgesetz
• Die gesamte Theorie der elektromagnetischen Kraft
folgt zwingend aus dieser lokalen Eichsymmetrie
• Die elektromagnetische und die schwache Kraft sind nur zwei
Aspekte einer fundamentaleren elektroschwachen Kraft
• Die gesamte Theorie der elektroschwachen Kraft folgt
zwingend aus einer lokalen Eichsymmetrie
• Die verallgemeinerte lokale Eichsymmetrie ist ein
noch fundamentaleres Naturgesetz
21
Massen fundamentaler Teilchen
Perfekte Symmetrie - ohne Masse!
Kräfte beschreibbar durch Eichtheorien
Forderung: Austauschteilchen müßen masselos sein
Erfüllt für Photon und Gluon, Aber nicht für W- und Z-Bosonen
Konsequenz:
→ Symmetrie muss gebrochen sein ←
Peter Higgs (1964)
Masse – keine Eigenschaft der Teilchen!
• Symmetriebrechung erzeugt neues, massives „Higgs“-Feld
• Konsequenz: W- und Z-Bosonen werden massiv
• Erzeugung von Massen durch Kopplung an das Higgs-Feld
22
Die Fermion-Massen
Masse (MeV/c²)
• Erhalten Fermionen Masse durch spontane Symmetriebrechung?
• Entsteht Masse durch Kopplung an ein Higgsfeld?
• Was verursacht die riesigen Massenunterschiede ?
1000000
100000
10000
1000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
0.0001
0.00001
0.000001
1E-07
1E-08
1E-09
1E-10
1E-11
1E-12
172000
1300
106
90
5
4200
2x1013
1777
2
0.5
Up Typ
Down Typ
Lepton +/Neutrino
0.000000001
0
0.00000005
0.000000009
1
2
3
4
Familie
23
Die Fermion-Massen
Ändern von mu ,md oder me :
kaum Effekt auf makroskopische Massen (mehr dazu später)
riesigen Effekt auf Verhalten der Materie!
md – me 1 MeV kleiner: Wasserstoff -Umwandlung möglich!
keine Wasserstoff-Atome, n stabil
p
n
W-
e-
νe
md – mu 2 MeV kleiner: Proton- und Deuteriumzerfall
Keine Materie mehr…
24
Ursprung der Fermion-Masse: Higgs?
•
•
•
Überprüfen der Higgs-Hypothese:
– Entdecken Higgs Boson(en) und Messen ihre Zerfälle
Was lernt man über Masse?
– Die Stärke der Kopplung ans Higgs-Feld
Sagt der Higgs Mechanismus die Massenwerte vorher? Nein!
– Außer MW / MZ Verhältnis stimmt auf besser als 1%0
Standardmodell Vorhersage: MW=(80.36 ± 0.02)GeV
Direkte Messung: MW=(80.40 ± 0.03)GeV
Mehr zu Higgs: Teil 2 der Vorlesung
25
Weitere offene Fragen
• Was ist mit Gravitation?
•Gibt es eine fundamentale Kraft?
• Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde?
• Gibt es zusätzliche Dimensionen?
• Kennen wir alle Teilchen (Supersymmetrie)?
26
Erweiterung des Standard-Modells
Fermion
Boson
photon
electron
quark
Boson
photino
selectron
squark
Fermion
vereinigt
Bosonen mit Fermionen
Kraft mit Materie
27
Supersymmetrie
Vereinigt die Grundkräfte
Brücke zur Gravitation
MX ~ 1014 GeV
τp ~ 1031 a
Brücke zur Urkraft
Kräfte Vereinigung bei MX = 2·1016 GeV
Leichtestes SUSY-Teilchen:
Kandidat für Dunkle Materie
Keine genaue Symmetrie:
MX ~ 1016 GeV
τp ~ 1038 a
SUSY Teilchen viel schwerer
mPl
Mehr zu SUSY: Teil 2 der Vorlesung
28
Hochenergiephysik : Warum?
Hohe Energie
29
Experimente mit Teilchenstrahlen
Teilchenstrahlen höchster Energie notwendig, denn
mit steigender Energie E (bzw. Impuls p) der Projektile steigt
•
die Fähigkeit, kleine Strukturen Δx zu erkennen Δx Δp = ħ
•
die Fähigkeit, neue schwere Teilchen zu erzeugen E = mc2
•
Streuexperimente:
– Kollision von Teilchenstrahlen mit Materie
– Kollision von zwei Teilchenstrahlen
30
Kleine Strukturen Sehen…
•
Sehen = Abbilden
Wurfgeschoß (Projektil) Æ Zielobjekt Æ Nachweis (Detektor)
•
„Auflösungsvermögen“
•
Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen
Projektilgröße << Größe der Strukturen
Lustige Animation aus dem Internet …
31
Unbekanntes Objekt in einer Höhle
• Projektil: Basketbälle
32
Unbekanntes Objekt in einer Höhle
• Projektil: Tennisbälle
33
Unbekanntes Objekt in einer Höhle
• Projektil: Murmeln
Mikroskopisch: Größe = Wellenlänge
34
Auflösungsvermögen und Energie
Beispiel: wenn Objekte nur in Rot- oder Blaulicht sichtbar wären…
Rot
Blau: Energie 1.5 mal höher
Photonen im blauen Bereich energetischer: das Bild wird schärfer
Auflösung kleiner Strukturen: hohe Energie !
Mikroskope der Teilchenphysik: Hochenergiebeschleuniger
35
Instrumente der Teilchenphysik
Höchste Energie erreichbar am Large Hadron Collider :
Proton-Kollisionen mit Schwerpunktenergie von 7, 10, 14 TeV
LHC (CERN): 27 km Ring nahe Genf
Neue Entdeckungen in
den nächsten 5 Jahren
Präzisionmessungen in
Standard Modell
Suche nach neuen
Physik
36
LHC: Tatsächlich “Die Weltmaschine”?
“Higgs erklärt die Masse der Materie”
Falsch: nur 1% der Masse nuklearer Materie ist durch Quarks gegeben
“LHC erreicht Energien die noch nie am Beschleuniger erreicht wurden”
Richtig: LEP (CERN) 100 GeV, HERA (DESY) 320 GeV, Tevatron 2 TeV
“Die erste Reise der Teilchenphysiker zum Urknall”
Falsch: mit LHC sind 1 Größenordnung näher, doch 13 Größenordnungen entfernt
LHC
Tevatron
37
Kollisionen am LHC:
Proton - Proton Kollisionen
u
90% Gluon-Gluon Fusion,
10% Quark-Quark
d
u
t
t
t
Higgs
u
d
u
38
Kollisionen am LHC:
Proton - Proton Kollisionen
u
90% Gluon-Gluon Fusion,
10% Quark-Quark
Untergrund: QCD Prozesse:
gg→Hadronen
qq→Hadronen
d
u
t
t
t
Untergrundereignisse
106
d
öffter als
Rate der Teilchenerzeugung
pp @ LHC
Higgs
u
“Signal” Ereignisse
u
Entdeckungen
Schwierigkeit: Untergrund effizient
unterdrücken
Notwendig: QCD präzise zu verstehen
Energie, TeV
39
Protonen bei höchsten Energien
Teil 1
QuantenChromoDynamik
Paar Worte über Masse der Dinger…
40
Sichtbare Materie: Atom→ Elektron + Kern
41
Sichtbare Materie: Atom→ Elektron + Kern
↓
Nukleonen
(p, n):
Quarks
Nukleonmasse MN ~ 1 GeV = 1.8 x 10-27 kg
42
Quarks: Fundamentale Bausteine der Materie
Quark Sorte (Flavour):
down
strange
beauty
Masse :
0.006 MN
0.15 MN
4.5 MN
charm
top
in Einheiten der
Nukleonmasse (MN)
up
0.003 MN
1.6 MN
171 MN
Nukleonen (Proton uud, Neutron udd):
Eigenschaften durch Valenz-Quarks bestimmt
Valenz-Quarks fast masselos
Die Masse der Materie ist nicht mit Quarkmasse zu erklären!
43
Struktur der Nuklearen Materie
Starke Kraft hält die Materie zusammen
Träger der Starken Kraft: Gluonen
Besondere Ladung: Farbe
Quarkgröße <10-8 Å
Menschenhaar <106 Å
Nukleonstruktur in QuantenChromoDynamik:
• Valenzquarks bestimmen die Quantenzahlen
• Gluonen erzeugen See-Quark Paare
p,n
• Quarks und Gluonen tragen ein Anteil
vom Gesamtimpuls des Nukleons
Energie der Quarks und Gluonen – Nukleonmasse?
Untersuchung der Nukleonstruktur: sehr hohe Auflösung notwendig!
44
Supermikroskop HERA am DESY
1992 - 2007†
Protonen 920 GeV
u
Kollisionen bei 320 MN
e
u
γ
d
Elektronen 27 GeV
Q2 – HERA Auflösung ≈ 10-8 Å
Weltweit Einzigartig:
Protonstruktur wurde aufgelöst mithilfe
virtueller Photonen
(Tief inelastische Streuung)
Häufigkeit solcher Ereignisse:
Protonstruktur
45
Masse der Nuklearen Materie
HERA Messungen:
Energieverteilung der Quarks und
Gluonen im Proton
05
0.
n·
ne
uo
Gl
Wenn Quarks so leicht
sind, was macht die
Protonmasse aus?
Se
eq
ua
rks
·0
Valenzquarks
.05
Impulsanteil
Masse = Energie!
46
Masse der Nuklearen Materie
HERA Messungen:
Energieverteilung der Quarks und
Gluonen im Proton
n
ne
uo
Gl
Gluonen und See
unskaliert
Valenzquarks
Se
eq
ua
rks
Masse = Energie!
Protonmasse ~ Gluonenergie
47
QuantenChromoDynamik: Grundlagen
• SU(3) Symmetrie und Quarkmodell
• Quark-Antiquark Zustände MESONEN
• 3-Quark Zustände BARYONEN
• Farbe: theoretische Notwendigkeit und experimentelle Evidenz
• Gluonfeld
• Lagrangian der QCD
• Feinmann-Regel in QCD
• Renormierung
• Asymtotische Freiheit und Confinement
• Fragmentation und Hadronisierung
• Faktorisierung
48