Masterclasses mit LHC Daten – eine Premiere
Werbung
Masterclasses mit LHC Daten – eine Premiere Michael Kobel (TU Dresden) Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.2011 Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 1 Collider am CERN ALICE °ATLAS CMS ° LHC-b LEP (e+e-) 1989-1995 1995-2000 LHC (pp) seit 2010 > 2013 45+45 GeV bis 104+104 GeV 3500+3500 GeV 7000+7000 GeV? Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 2 Ziele der Teilchenphysik Warum? Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 3 Die Fragestellungen der Teilchenphysik: Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 4 Raum – Zeit – Materie ENERGIE ist der Schlüssel Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 5 Raum: Das Erkennen der kleinsten Strukturen Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 6 Zeit: Verbindung zur Kosmologie Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 7 Fundamentale Bausteine 1/10.000.000 0,01 m Kristall > < 1/10 10-9 m Molekül 1/10.000 10-10 m Atom 1/1.000 1/10 10-14 m Atomkern 10-15 m Proton <10-18 m Quark Elektron 4 Fundamentale Bausteine der Materie (punktförmig) Zwei „Quarks“: zu Protonen und Neutronen gebunden Down: d (Q= -1/3) Up: u (Q= +2/3) Zwei „Leptonen“: 1 fm Elektron e: gebunden in Atomhülle Neutrino n: ungebunden, entsteht in Kernprozessen (Sonne, Radioakt.) Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 8 Ein “Geister”teilchen 1914 Chadwick b-Zerfall: n à p + eà Unerwartete Energieverteilung! Pauli (1930) postuliert neues Teilchen: Neutrino n Elektrisch neutraler Partner des Elektrons sehr leicht schwach wechselwirkend (Fermi): 999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung ziemlich verbreitet im Universum 366.000.000 Neutrinos / m3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m3 mehrere Teilchen-Familien! primäres Teilchen trifft auf Atmosphäre: 15 – 30 km Höhe p, He, ... p Atmosphäre g n p m p e m Entdeckt: 1937-1947 wie e, nur 200x schwerer Fuji 3776 m nm g nm e nm ne Die elementaren Bausteine Ursache der Existenz von 3 Familien noch ungeklärt! Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 11 Die fundamentalen Kräfte •Jede Kraft hat eigene Botenteilchen Kraft (Wechselwirkung) Botenteilchen Starke Kernkraft Gluonen g Schwache Kraft „Weakonen“ (W und Z) Elektromagnetismus Photonen g Schwerkraft Gravitonen ? • Wechselwirkung nur dann, wenn entsprechende Ladung vorhanden • Es gibt also 3 verschiedene Ladungstypen (stark, schwach, elektrisch) Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 12 Was ist Ladung? Ladung … • … ist kein Stoff ! • … beschreibt die Sensitivität von Teilchen bezüglich der jeweiligen Wechselwirkung Eigenschaften: Ladungen sind Additiv Ladung(A+B) = Ladung(A) + Ladung(B) Ladungen kommen nur in Vielfachen einer kleinsten Ladung vor Ladung ist erhalten, d.h. sie entsteht weder neu, noch geht sie verloren Michael Kobel Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 13 Antimaterie Zu jedem Bausteinteilchen existiert ein Antiteilchen mit umgekehrten Vorzeichen von allen Ladungen Sonst sind alle Eigenschaften (Masse, Lebensdauer) gleich Aus Botenteilchen können paarweise Materie- und Antimaterieteilchen entstehen Umgekehrt können sie sich paarweise wieder zu Botenteilchen („Energie“) vernichten Michael Kobel Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 14 Prinzip von Kraftwirkungen • • • Zu jeder Wechselwirkung gehört eine Ladung Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren Wechselwirkung Wechselwirkung erfolgt über Austausch von Botenteilchen Abstoßend Anziehend www.physicsmasterclasses.org/exercises/unischule/baust/bs_6fram_lv123.html (nur in internet explorer abspielbar) Feynmandiagramme Ursache jeder Wechselwirkung ist: Erhaltung von Symmetrien Ergibt eindeutiges Set von fundamentalen “Vertices” Alle Prozesse sind Kombination solch fundamentaler Vertices Zeit z.B. Beta”zerfall” des Neutrons Anm: Pfeilrichtung ß symbolisiert Antiteilchen Es läuft trotzdem in der Zeit nach rechts Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 16 Beispiel: Kalium 40 Instabiles Isotop mit 40 Nukleonen (19 Protonen und 21 Neutronen) Zerfällt durch den Betaminus- oder Betapluszerfall mit Halbwertszeit von 1,28 Mrd. Jahren für den menschlichen Körper lebensnotwendig: Regelt als Mineralstoff Wassergehalt in den Zellen Wichtiger Elektrolyt der Körperflüssigkeit. Ca jedes 9000ste Kaliumatom der ca. 100-150g Kalium in unserem Körper ist Kalium-40. Michael Kobel, Schülertag Internationale Masterclasses, Dresden 14.03.11 17 Confinement Einzelne Quarks ergeben „Hadronen“ Jets • e-p Kollisionen bei HERA am DESY 30 GeV e ¯® ¬ p 800 GeV Was kollidiert eigentlich im LHC? Wechselwirkung nur von Bruchteilen des Protons (Partonen: Quarks und Gluonen ) PROTON BESTEHT I.W. AUS 2u + 1d QUARK U. GLUONEN Schwerpunktsenergie der kollidierenden Partonen (q, g) 1 ¢ » ESP ESP (pp) 10 ¢ E SP Neue Teilchen mit Massen bis zu ~ 1 TeV (ca. 1000 Protonmassen) erzeugbar Die Entdeckung des W 1983 am Super-Antiproton-Proton Synchrotron (S`ppS) am CERN • Erstes Ereignis `pp à W + … à mn + … • Das Myon ist durch den roten Pfeil gekennzeichnet • Das Neutrino wird durch fehlenden Transversalimpuls (Summe aller Spuren!) indirekt nachgewiesen Mögliche Herstellung am LHC • Entweder durch Gluon-Quark oder Gluon-Gluon • Aus den auslaufenden Quarks entstehen Jets • Signaturen des W-Teilchens Am einfachsten zu sehen : ev und µv Charakteristik à fehlender Impuls durch Neutrinos senkrecht zum Strahl: pTmiss à Definition: fehlende „transversale“ Energie: ETmiss := |pTmiss| sichtbares elektrisch geladenes Lepton W à ev W à µv aber trotzdem immer immer: „Signal“ und „Untergrund“ Ziele des LHC Wiederentdecken des Bekannten + Suche nach Neuem! http://atlas.ch/multi media/downloads/ ATLAS_Event.avi (55 MB) • Higgs Teilchen - was ist überhaupt Masse? • Supersymmetrie (à Dunkle Materie?) - nur 4% des Weltalls ist „normale“ Materie ! • zusätzliche Raumdimensionen? Massen der Teilchen Unter Benützung experimenteller Teilchenmassen beschreibt Theorie der schwachen Kraft alles, z.B. langsames Brennen der Sonne p + p à D + e+ + n (Energiegewinn: DE = 0,5 MeV) Masse des Zwischenzustands mW = 80400 MeV Rate unterdrückt um ~ (DE / mW)4 > 1020 Fundamentales Problem (MeV) Experim. Theorie mW 80400 0 mZ 91200 0 me 0,5 0 mt 172000 0 … Grund: schwache Eichsymmetrie Erhaltung Die Ruhemassen der Bausteine n Symmetrien erfordern masselose Teilchen l l Masse (MeV/c²) l Erhalten Masse erst ~ 10-11 sec nach Urknall durch „spontane“ Symmetriebrechung Entsteht Masse durch Kopplung an ein „Higgs“ Hintergrundfeld? Was verursacht die riesigen Massenunterschiede ? 3x105 2x1013 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 1777 2 0,5 Up Typ Down Typ Lepton +/Neutrino 0,000000001? 0 0,00000005 0,000000009 1 2 Familie 3 4 Die Bedeutung der Teilchenmassen ® Größen- und Energieskala der Atome (Moleküle, Festkörper, Lebewesen, …) Elektronmasse regiert atomare Energien und Radien ® ® ® Bindungsenergie steigt mit me Atomdurchmesser fällt mit 1 / me Stabilität der Nukleonen: Feine Abstimmung zwischen ® Starker Kraft ® Elektromagn. Abstoßung der Quarks ® Massen(differenzen): md - mu , md - me 29 Animation: Was wäre wenn… Kleinere W-Masse Tatsächlicher Ablauf Kleinere d-Quarkmasse Kleinere Elektronmasse View Online: www.youtube.com/watch?v=p5cPg62z8xs Download: : www.teilchenphysik.de/multimedia/informationsmaterial/veranstaltungen n Erst nachdem der LHC geklärt hat, wie Teilchenmassen überhaupt entstanden sind, wird man erforschen können, wie ihre Werte zustande kamen. n http://prola.aps.org/abstract/RMP/v68/i3/p951_1 R.N. Cahn, „The 18 arbitrary parameters of the standard model in your everyday life“(1996) http://arxiv.org/abs/hep-ph/9707380 V.Agrawal, S.M.Barr, J.F.Donoghue, D.Seckel, „The anthropic principle and the mass scale of the Standard Model“ (1997) http://arxiv.org/abs/astro-ph/9909295v2 C. Hogan, „Why the Universe is Just So“ (1999) http://arxiv.org/abs/0712.2968v1 Th Damour und J.F.Donoghue, „Constraints on the variability of quark masses from nuclear binding“ (2007) n n n Was ist Masse? n “Leeres” Vakuum l l n Higgshintergundfeld l l l n Alle Teilchen sind masselos bewegen sich mit Lichtgechwindigkeit Teilchen werden d. Wechselwirkung mit dem Higgsfeld verlangsamt Teilchen erhalten effektiv eine Masse Wert hängt von der Stärke der WW mit dem Hintergrundfeld ab Higgs-Teilchen l l quantenmechanische Anregung des Higgsfeldes notwendige Konsequenz des Konzepts! Mechanische Analogie zur Higgs Produktion n n n Luft (~ Higgsfeld) normalerweise kaum zu spüren am Besten erfahrbar, wenn in Bewegung Objekte hoher Energie erzeugen Anregungen der Luft Objekte hoher Masse erzeugen Anregung im Higgsfeld = Higgs-Teilchen Higgs Suche bei ATLAS und CMS à www.atlas.ch/multimedia n Higgs Masse unbekannt: l Viele Produktionsmechanismen Viele mögliche Zerfälle l Als Funktion der Masse vorhersagbar l Zweite Aufgabe für später n Finden Sie Kandidaten für H à W+ W- ! l l Oder sind es doch Z Z à µ+µ- nn ? Ist das eindeutig unterscheidbar? Konkurrenz anderer echter WW Erzeugung n Gesuchtes Signal H à W+ W- Higgs n Untergrund aus anderer W+ W- Erzeugung How to discover the Higgs via WW decay Measurement of W+W− Production and Search for the Higgs Boson in pp Collisions at sqrt(s) = 7 TeV CMS Collaboration, 01 March 2011, http://cdsweb.cern.ch/record/1332217 • Brandnew: CMS finds 13 W+W- candidate events • Consistent with expectation from Standard Model • A Higgs signal would accumulate at small values of Dfll 1.lepton Dfll 2.lepton UND VIEL SPAß!
