Teilchenphysik am MPP am Beispiel von ATLAS

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Teilchenphysik am MPP
am Beispiel von ATLAS
München, 26. Jun 2012
Richard Nisius (MPP München)
[email protected]
Einleitung
SM in der Nußschale
LHC
ATLAS
Spurdetektoren
Datennahme
Top-Quarks
Higgs-Boson
Zusammenfasung
Die Organisation der Max-Planck-Gesellschaft
− Die Max-Planck-Gesellschaft (MPG) ist eine unabhängige Forschungs-Organisation.
− Die MPG fördert Forschung hauptsächlich in ihren eigenen Instituten, den MPIs.
− Zur Zeit hat die MPG 80 Forschungsinstitute mit etwa 17000 Beschäftigten.
Die MPG hat 5200 Wissenschaftler, zusammen mit mehr als 3700 Doktoranden,
1300 Post-Doktoranden, und 800 Gastwissenschaftlern.
− Die Forschungsthemen sind aufgeteilt in drei Sektionen. Dies sind die Sektionen
für Biologie und Medizin, für Chemie, Physik and Technik (CPT), und für
Geisteswissenschaften.
− Fünf Institute der CPT Sektion befinden sich im Münchner Raum, und zwar die MPIs
für Astrophysik, Extraterrestrische Physik, Plasmaphysik, und Quantumoptik in
Garching, und in München das MPI for Physik (MPP) das (Werner-Heisenberg-Institut).
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München
26.06.12
Richard Nisius
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LHC
ATLAS
Spurdetektoren
Datennahme
Top-Quarks
Higgs-Boson
Zusammenfasung
Das MPP - Aufgabe und Geschichte
Die Ziele
− Am MPP betreiben wir Grundlagenforschung in Elementarteilchen- and Astroteilchenphysik, sowohl auf theoretischem als auch auf experimentellem Gebiet.
Die Geschichte
1917 Gegründed als Kaiser-Wilhelm Institut für Physik in Berlin.
Der Vorsitzende des Direktoriums war Albert Einstein.
1946 Wieder-gegründet in Göttingen. Seit 1948 ist das Institut Teil der MPG, und zwar
als MPI für Physik (MPP). Der Direktor war Werner Heisenberg.
1958 Umzug von Göttingen zum heutigen Standort (Architekt Sep Ruf) in München.
1960 Ausgliederung des Instituts für Plasmaphysik (IPP) in Garching.
1991 Ausgliederung der Institute für Extraterrestrische Physik (MPE) and für
Astrophysik (MPA) in Garching.
Einige frühere Kollegen
− Peter Debeye, Albert Einstein (NP 1922), Werner Heisenberg (NP 1933),
Léon van Hove, Max von Laue (NP 1914), Gerhart Lüders, Carl Friedrich von
Weizsäcker, Julius Wess, . . .
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Zusammenfasung
Das MPP - Personal und Forschungsgebiete
Die heutigen Kollegen
− Das MPP hat etwa 160 festangestellte Mitarbeiter, von denen
sind etwa 60 Wissenschaftler, 80 Personen arbeiten in den
technischen Abteilungen, und 20 Personen in der Verwaltung.
− Zusätzlich haben wir im Mittel etwa 20 Gastwissenschaftler.
− Zur Zeit haben wir 60 Doktoranden und Diplomanden sowie
20 Auszubildende (Mechaniker, Elektroniker, Mechatroniker, . . . ).
Die Haupt-Forschungsgebiete
− Die Forschungsarbeiten umfassen theoretische Arbeiten auf verschiedenen Gebieten
des Standardmodells und darüber hinaus, sowie Forschung in der Astroteilchenphysik,
z.B. WIMPS (dunkle Materie) und Neutrinos, aber auch Stringtheorie.
− Das MPP has Beteiligungen an verschiedenen Experimenten der Hochenergiephysik
an Beschleunigern, aber auch in einer Reihe von Nicht-Beschleuniger Experimenten.
− Zusätzlich betreiben MPE und MPP ein Halbleiterlabor (HLL) in München-Neuperlach
zur Entwicklung neuer, strahlenharter Spurdetektoren zum Nachweis geladener Teilchen.
Das MPP hat ein breites Forschungspspektrum in theoretischer und experimenteller Physik.
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Das MPP - Gruppen und Forschungsgebiete
Direktoren
− G. Dvali - Theo. Teilchenphysik - Teilchenkosmologie
− W. Hollik - Theo. Teilchenphysik - Phänomenologie
− D. Lüst - Theo. Teilchenphysik - Stringtheorie
− S. Bethke - Exp. Teilchenphysik I (ATLAS)
µ-cooling
− A. Caldwell (GD) - Exp. Teilchenphysik II
Future
Colliders
ILC
− M. Teshima - Exp. Astro-Teilchenphysik
Externe Wissenschaftliche Mitglieder
GERDA
ATLAS
− H. Abramowicz - Exp. Teilchenphysik - Protonstruktur.
NeutrinoPhysics
Large Hadron
Collider
H1
Semiconductor
Development Lab.
Theory
High
Energy
Physics
AstroParticle
Physics
Electron-Proton
Collider
ZEUS
HEP Phenomenology
String Theory
Astro-Particle Physics
Field Theories
Lattice Field Theory
Cosmic
Rays
Dark
Matter
MAGIC
EUSO
CRESST
Technical Depts.
Forschungsgruppen Nachwuchswissenschaftler
Mechanics &
Electronics
− Emmy Noether Gruppen.
− MPG Program für hochqualifizierte Wissenschaftlerinnen.
− MPG unabhängige Forschungsgruppe.
− Junior Forschungsgruppe im Münchner Exzellenzcluster.
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Dass ich erkenne, was die Welt, im Innersten zusammenhält
Die zwei Hauptfragen der Elementarteilchenphysik
− Welches sind die kleinsten Bausteine der Natur, und was sind ihre Eigenschaften?
− Was sind die fundamentalen Wechselwirkungen dieser Bausteine?
Der Weg der Beschleunigerphysik
− Zur Lösung braucht man einen Weg kleinste Strukturen und ihre
Wechselwirkungen zu sehen, d.h. in irgendeiner Form zu messen.
− Wir machen
zwar ein
aber das Prinzip
bleibt gleich:
Was immer man tut, sehen ist und bleibt ein Streuprozess.
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Die Heisenberg’sche Unbestimmtheitsrelation
− Die Quantenmechanik macht nur
Wahrscheinlichkeitsaussagen, d.h.
Aussagen über das mittlere Ergebnis
vieler Ereignisse. Das Einzelereignis
jedoch ist völlig unbestimmt!
∆x
− Mit der Heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation kann man das Auflösungs
vermögen abschätzen.
Faustformel: ∆x ∆p = 0.2 fm GeV. Ein
Teilchen mit Impuls 1 GeV kann also eine Struktur
der Größe 0.2 fm auflösen. (1 fm = 10−15 m)
H
Y
HH
∆p
HH
j
H
Um diese kleinen Strukturen sehen zu können, brauchen wir Teilchenbeschleuniger.
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Das Standardmodell
Eichtheorie
Higgs-Boson
u
c
t
Wechselwirkung
e
e
Kräfte
stark
g
γ
d
s
b
νe
νµ ντ
e
µ
q
q
e
e
elektrom.
γ
q
Z
q
schwach W± Z
Eichbosonen
Leptonen Quarks
Materie
τ
Das Standardmodell hat viele Präzisionstests sehr erfolgreich bestanden.
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Die elementaren Materiebausteine
− Unser heutiges Bild der Rezeptur
der Natur, ist:
− Es gibt drei Familien von Leptonen und Quarks.
− Sie sind Fermionen (Spin = 1/2), und nur die erste
Familie bildet stabile Materie, p = uud und n = udd.
− Zu jedem Teilchen gibt es ein Antiteilchen mit umgekehrten Ladungen aber sonst identischen Eigenschaften.
− Die Massen sind sehr verschieden und niemand weiß
warum. Die Massen reichen von weniger als 1 eV für
das νe bis zu 173 GeV (fast die Masse eines Gold-Atoms)
für das top Quark.
− Eine Theorie zur Erklärung der Massen ist der HiggsMechanismus. In dieser Theorie wird ein zusätzliches
Teilchen, das noch zu findende Higgs-Boson, vorhersagt.
Wir wollen das Massenspektrum erklären können.
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Das Standardmodell - seine Stärken
Measurement
Fit
(5)
∆αhad(mZ)
0.02750 ± 0.00033 0.02759
mZ [GeV]
91.1875 ± 0.0021
91.1874
ΓZ [GeV]
2.4952 ± 0.0023
2.4959
41.540 ± 0.037
41.478
20.767 ± 0.025
20.742
0
σhad [nb]
Rl
0,l
Afb
Al(Pτ)
Rb
0.1465 ± 0.0032
0.1481
0.21629 ± 0.00066 0.21579
0.1721 ± 0.0030
0.1723
0,b
0.0992 ± 0.0016
0.1038
0,c
0.0707 ± 0.0035
0.0742
Ab
0.923 ± 0.020
0.935
Ac
0.670 ± 0.027
0.668
Afb
0.1513 ± 0.0021
0.1481
sin θeff (Qfb) 0.2324 ± 0.0012
0.2314
mW [GeV]
80.385 ± 0.015
80.377
ΓW [GeV]
2.085 ± 0.042
Al(SLD)
2 lept
mt [GeV]
March 2012
173.20 ± 0.90
Eine Erfolgsgeschichte
(Stand 2012)
− Daten und Theorie stimmen perfekt überein.
− Messungen auf sub Promille Genauigkeit, z.B.
mZ = (91.1875 ± 0.0021) GeV.
Dies entspricht 0.02 Promille Genauigkeit!!
0.01714 ± 0.00095 0.01645
Afb
Rc
meas
fit
meas
|O
−O |/σ
0
1
2
3
Konsistenz direkter und indirekter Messungen
− Direkt:
− Indirekt:
− Direkt:
− Indirekt:
2.092
173.26
0
1
2
mW = (80.385 ± 0.015) GeV
mW = (80.363 ± 0.020) GeV
mtop = (173.2 ± 0.9) GeV
mtop = (172.6+13.5
−10.4 ) GeV
3
Wir haben die Massen zwar genau gemessen, verstehen ihre Ursache aber nicht.
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Probleme mit der Masse?
− Wieso habe ich eine so große Masse? Wildschweine?
− Klar, Wildschweine haben innere Struktur, sie bestehen
z.B. aus Fleisch. Fleisch hat eine Masse, also haben Wildschweine eine Masse. Aber wieso hat Fleisch eine Masse?
− Klar, Fleisch besteht aus Eiweißen.
Eiweiße haben eine Masse, also . . . . Aber wieso . . . ?
− Klar, Eiweiße bestehen aus Molekülen.
Moleküle haben eine Masse, also . . . . Aber wieso . . . ?
− Klar, Moleküle bestehen aus Atomen.
Atome haben eine Masse, also . . . . Aber wieso . . . ?
− Klar, Atome bestehen aus Protonen und Neutronen.
P und n haben eine Masse, also . . . . Aber wieso . . . ?
− Klar, Protonen und Neutronen bestehen aus Quarks.
Aber wieso haben Quarks eine Masse?
Wir brauchen eine andere Erklärung als den Aufbau aus kleineren massiven Bausteinen.
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Zusammenfasung
Das Higgs-Boson - die Idee
Die Vermutung (1965)
Der Vater des Gedankens
− Fundamentale Teilchen, sowohl Materie- als auch
Kraft-Teilchen, sind an sich masselos.
− Massen werden erst durch Wechselwirkungen mit
einem Hintergrundfeld, dem Higgsfeld, erzeugt.
− Je stärker die Kopplung, um so größer die Masse.
− Die Eichbosonen erhalten ihre Massen durch spontane
Symmetriebrechung und den Higgs-Mechanismus.
Peter Higgs
Die Konsequenz
− Die Existenz des Higgs-Bosons als Anregung des Higgsfeldes.
Die Vorhersagen des Standardmodells
− Die Kopplungen des Higgs-Bosons an alle Teilchen sind vorhergesagt, und damit
liegen die Zerfalls-Kanäle und -Raten des Higgs-Bosons bei gegebener Masse fest.
Die Masse des Higgs-Bosons ist nicht vorhergesagt und muß gemessen werden.
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Higgs-Boson
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Die supraleitenden Magnete
Der Large Hadron Collider, 2009++ , Ep = 4 TeV
CMS
Anzahl
Länge
Gewicht
B-Feld
Temperatur
Strom
Energie
p
p
?
6
1232
14.3 m
35 t
8.4 T
1.9 K
11700 A
7.1 MJ
ATLAS
ALICE
LHCb
Ein Vergleichsobjekt
Einzelheiten
Entdeckungspotential: MH = 100 − 1000 GeV
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590 t
v=18(620) km/h
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Das Bauprinzip von Teilchen-Detektoren und ein Beispiel
Das Prinzip
− Mit einer Art Zwiebelschalenanordnung
um die Strahlröhre werden die verschiedenen Teilchen an Hand ihrer typischen
Wechselwirkungen nachgewiesen.
Die Messgrößen
√
√
− Ort
√
− Impuls bzw. Geschwindigkeit
√
− Energie
Ein Beispiel LHC und der ATLAS Detektor
√
√
√
√
− Bei komplizierten Zerfällen wird aus der Summe
aller Zerfallsprodukte auf die Eigenschaften
der primär erzeugten Teilchen geschlossen.
Erst die Rekonstruktion aller Reaktionsprodukte gibt Aufschluß über die Reaktion.
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Top-Quarks
Higgs-Boson
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Der ATLAS Detektor
Monitored Drift Tubes (MDT), (H → ZZ → 2µ+ µ− )
@
@
@
6
46 m
@
R
@
25 m
M = 7000 t
V = 22580 m3
⇒ ATLAS
könnte
schwimmen.
@
I
@
@
@
@
@
?
Semi Conductor Tracker (SCT), (H → bb̄)
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@
@ Beteiligungen
@
Hadron End Cap (HEC), (H → τ + τ − )
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Datennahme
Top-Quarks
Higgs-Boson
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Ein Siliziumstreifendetektor
Die Prinzipskizze
Ausleseelektronik
Ein ATLAS SCT Sensor
Metallisierung (Al)
p+-Auslesestreifen
-
+
-
-
+
-
+
-
+
-
+
+
80 eh-Paare
n-Silizium
−
+
Sperrspannung
µm
ionisierendes
Teilchen
n+-Silizium
Metallisierung (Al)
Mit Halbleiterdetektoren werden Spuren und Zerfallspunkte gemessen.
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Bilder von der Modulproduktion am MPP
Der Roboter zur Ausrichtung
Parallelproduktion der Module
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Ausrichtung der Wafer
Die Bondmaschine
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Von Modulen zu Scheiben
Die Vorderseite einer Scheibe
Die Rückseite einer Scheibe
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Zusammenfasung
Die Chronologie der Ereignisse
20.11.09 − Start des LHC.
23.11.09 − Kollisionen 2 x 0.45 TeV.
08.12.09 − Kollisionen 2 x 1.18 TeV.
28.03.10 − Start Datennahme 2 x 3.5 TeV.
− Jahres-Luminosität, 2010: 0.045/fb, 2011: 5.3/fb.
30.03.12 − Start Datennahme 2 x 4 TeV.
− Luminosität = Anzahl Ereignisse für Reaktion mit
1 fb = 10−43 m2 Wirkungsquerschnitt.
Ein simples Luminositätsmodell
Die LHC Lernkurve ist etwa exponentiell, und es fehlt nur noch ein Faktor 2.
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Die Top Quark Paarproduktion
Quark induzierte Prozesse (ca 10%)
fq/p
Gluon induzierte Prozesse (ca 90%)
fg/p
σ̂ gg→tt̄
σ̂ qq̄→tt̄
fq̄/p
fg/p
√
− Der Wirkungsquerschnitt ist: σ(tt̄) = 170 pb für mtop = 172.5GeV und s = 7 TeV.
⇒ Im Jahr 2011 haben wir ca. 900.000 Top Quark Paare aufgezeichnet.
−16
s = 4.2 · 10−25 s ist wesentlich kleiner als die Zeit
− Die Lebensdauer: τ = ~Γ = 6.58·10
1.55·109
~
zur Hadronformation t ≈ Λ ≈ 6 · 10−24 . Das Top-Quark zerfällt als einziges Quark frei.
Der Wirkungsquerschnitt am LHC ist mehr als 20 mal so groß wie am Tevatron.
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Der Zerfall des Top Quark Paars
− Top Quarks zerfallen fast immer via
t → W b. Die Ereignisse werden deshalb nach W-Zerfällen klassifiziert.
b-jet
Der lepton+jets Kanal
νℓ
"jets" 46%
b
t
p
q̄
W− t̄
b̄
q
jet
b-jet
jet
τ+jets 15%
W+
p
ℓ+
τ+τ 1%
τ+µ 2%%
2
τ+e 1%
µ+µ+e 2%
µ +e 1%
e
"dilepton"
µ+jets 15%
e+jets 15%
"lepton+jets"
− Dilepton: geringe Rate (4%), hohe
Reinheit, kinematisch unterbestimmt.
− Lepton+jets: mittlere Rate (30%),
Lepton ’Tag’, bester Kompromiss.
− Jets: höchste Rate (46%), aber auch
größter Untergrund.
Der Lepton + Jets Kanal liefert zur Zeit die kleinsten Fehler für die Top Quark Masse
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ATLAS
Spurdetektoren
Ein Top-Quark Paarereignis
Datennahme
Top-Quarks
Higgs-Boson
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tt̄ → beν bqq
jet
b - Jet
t
g
jet
Lepton
W
q - Jet
q - Jet
t
g
νe
jet
Neutrino
W
t
b - Jet
jet
e
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Die Messung im Lepton+jets Kanal
Eine Messung im Elektronkanal
0.18
0.16
140
ATLAS Simulation
mtop
mtop
mtop
mtop
0.14
Events / 0.1
Normalized Events / 0.1
Signal-Erwartung als Fkt. von mtop
= 160 GeV
= 170 GeV
= 180 GeV
= 190 GeV
0.12
ATLAS
Data
Signal
Background
120
100
mtop = 172.9 ± 1.5stat GeV
80
∫ L dt = 1.04 fb
0.1
-1
60
e + jets
0.08
e + jets
40
0.06
0.04
20
0.02
0
0
1.5
2
2.5
3
3.5
1.5
2
2.5
3
3.5
R32
4
R32
− Resultat (1/fb 2011 Daten):
mreco
m(3−jet)
− Testgröße: R32 = mtop
mtop = (172.9 ± 1.5stat ± 2.5syst ) GeV
reco = m(2−jet)
W
− Messgröße: mtop
− Erwartung: R32 = 172.5
= 2.15. − Sensitivität: ∆(mtop ) = 1 GeV ⇔ ∆(R32 ) = 0.012.
80.4
Nächstes Ziel ist die Verbesserung der sytematischen Unsicherheit auf etwa 1 GeV.
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Hinweise auf das Higgs-Boson
mW [GeV]
80.5
Direkte Messungen
March 2012
LHC excluded
LEP2 and Tevatron
LEP1 and SLD
68% CL
1) pp̄ → tt̄
2) pp̄ → W + X
und
e+ e− → W+ W−
Indirekte Bestimmungen
80.4
1) Die Z-Produktion
e
∆α
80.3 mH [GeV]
114
300 600 1000
155
175
e
t
Z
q
e
H
q
q
e
Z
q
2) Der Muonzerfall
195
νe
H
mt [GeV]
µ
W
e
νµ
Diese gute Übereinstimmung ist einer der Gründe an ein leichtes Higgs-Boson zu glauben.
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LHC
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Das Higgs - Entdeckungspotential am LHC
Das Entdeckungspotential
g
t
H
g
Die Liste der Zerfallskanäle
Signal significance
Der Haupt-Produktionskanal
10 2
H → γ γ + WH, ttH (H → γ γ )
ttH (H → bb)
H → ZZ(*) → 4 l
(*)
H → WW
→ lνlν
H → ZZ → llνν
H → WW → lνjj
Total significance
√S
B
10
5σ
H
X = qW Z `γ
ATLAS
X = qW Z `γ
∫ L dt = 100 fb
(no K-factors)
-1
1
10
2
10
3
mH (GeV)
− Das ATLAS Entdeckungspotential ist besser als 10 σ für ein Jahr mit Design-Luminosität.
Das Standard Model Higgs-Boson kann uns am LHC wohl nicht verborgen bleiben.
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LHC
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Datennahme
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Higgs-Boson
Zusammenfasung
Die Hinweise aus den 2011 Daten
Der Kanal H → γγ
m
Eine Untergrundfluktuation?
m
Der Bereich kleiner Massen
Kombinierte Ausschlussgrenzen
m
m
Diese Hinweise reichen noch nicht. Die 2012 Daten werden gerade ausgewertet.
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Anstelle einer Zusammenfassung
Peter Higgs
Was so
begann, . . .
... nahm so
LEP (1989-2000)
Tevatron (1992-2011)
seinen Lauf, und endet . . .
Karl Gustav
von Schweden
?
. . . LHC (2010 - ?)
vielleicht so
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Eine unvollständige Liste interessanter Links
Dieser Vortrag
http://www.mpp.mpg.de/ ˜nisius/welcomeaux/lehre.html
Die Startseite der Deutschen Teilchenphysik
http://www.teilchenphysik.de
Ein Lernprogramm der Universität Erlangen
http://www.solstice.de/teilchenphysik/
Fun with . . . , eine Sammlung von Cartoons von Prof. C. Grupen
http://www.hep.physik.uni-siegen.de/˜grupen
Physik mit Musik, der LHC Rap von Katie MCAlpine (alpinecat)
http://www.youtube.com/watch?v=j50ZssEojtM
Danke für die Aufmerksamkeit . . . und . . . viel Spass beim Weiterlesen.
Teilchenphysik am MPP am Beispiel von ATLAS München 26.06.12 Richard Nisius
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