Title Vorname Name Institut für Kern

Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften, Institut für Kern- und Teilchenphysik
Aktuelle Dresdner
Forschung am CERN
Uta Bilow
Michael Kobel
Frank Siegert
Arno Straessner
Kai Zuber
Institut für Kern- und Teilchenphysik
Dresden, 13.7.2016
Der ATLAS Detektor im Aufbau
Beginn 2004
12.07.2016
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Erste Kollisionen bei 0,9 TeV am 23.11.09
12.07.2016
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Dresden am Large Hadron Collider
Eins der 4 LHCExperimente
174 Institute aus 38 Ländern
3200 Wissenschaftler
Hochspannungsversorgung
von ISEG, Rossendorf
12.07.2016
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IKTP TU Dresden
Mitglied seit Februar 2006
• Teilchenphysik (M. Kobel)
• Exper. Teilchenphysik (A.Straessner)
• Emmy-Noether-Gruppe (F. Siegert)
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Das große Bild
S

S
S
S
S
LHC:
Nachstellen der
Prozesse zwischen
Elementarteilchen
10-12 s nach dem
Urknall
Teilchenbeschleuniger:
LHC
LEP
http://lhc-milestones.web.cern.ch/lhc-milestones
Geschichte der Physik
Zurück zum Urknall
12.07.2016
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Datenanalyse seltener Prozesse
 Streuungen subnuklearer Botenteilchen W und Z (Gruppe Kobel)
• Lichtteilchen durchdringen sich:
<- Wir sehen uns gegenseitig
•
Botenteilchen der subnuklearen
Wechselwirkungen tun dies nicht:
Sie streuen aneinander ->
•
Seltenster bisher am LHC beobachteter Prozess
•
Dämpft der Beitrag der Higgs Bosonen diesen Prozess, wie erwartet?
h
12.07.2016
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h
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Theorie der Teilchenphysik (Standardmodell):
Eine Formel beschreibt alle Prozesse der Welt
Gesehen von LEP @CERN
gWW , ZWW
Experimentell 2014
erstmals beobachtet
http://www.quantumdiaries.org/2011/06/26/cern-mug-summarizes-standard-model-but-is-off-by-a-factor-of-2/
Bestimmt unsere Welt:
ist am besten verstanden
12.07.2016
Am LHC nachgewiesen:
hWW,ZZ und h tt, (tt)
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Für nächsten Kollider:
hhh and h hhh
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Suche nach weiteren Higgs-Bosonen
 Supersymmetrie sagt 4 weitere Higgs-Bosonen voraus
 Expertise der Dresdner Gruppe Straessner:
Supersymmetrische
Higgs-Boson-Zerfälle
mit Tau-Leptonen
h
H
A
H  t + t-
 Bisher kein Signal weiterer
Higgs-Bosonen entdeckt
 Suche wird 2016-2023 mit
20-facher Datenmenge fortgesetzt
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H±
Der Upgrade des LHC und der Detektoren
2019/20 und 2024-26
 Erhöhung der Strahlintensität (x 7) und der Datenmenge (x 5)
erfordert Upgrade des ATLAS-Detekors
→ Strahlenschäden und Untergrund durch gleichzeitige pp-Kollisionen
Phase2: bis zu 140 gleichzeitige pp-Kollisionen
12.07.2016
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Trigger-Anforderungen
σ
Rate
Untergrund
Interaction -Rate
Storage-Rate
Entdeckungen
Bei Design-Luminosität:
Strahl-Kollisionsrate: 40 MHz
Wechselwirkungsrate: ~ 1 GHz
Speicher-Rate: ~ 1000 Hz
 “online”-Reduzierung: 99.999%
Selektion von seltenen Ereignissen
in extrem untergrundreicher LHC
Umgebung
ET
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benötige leistungsstarken
3-stufigen Trigger
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Dresdner Elektronik-Entwicklung zum
ATLAS-Upgrade (Gruppe Straessner)
 Untersuchung und Implementierung schneller digitaler Signalfilter
mit modernsten Field Programmable Gate Arrays (FPGA)
 Kollaboration u.a. mit Institut für
Technische Informatik der TU Dresden
FPGAPrototypBoard in
ATCAFormat
 Multi-Gbit Ethernet-Datentransfer mit FPGAs
Teststand in Dresden
 Außerdem: Teststrahlmessungen von Flüssig-Argon-
Kalorimetermodulen bei höchsten Teilchen-Intensitäten
12.07.2016
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Monte-Carlo-Simulation am LHC
Emmy Noether Nachwuchsgruppe (F. Siegert)
Theorie
Experiment
Monte-Carlo-Simulation von
Teilchenkollisionen am LHC
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Messungen innerhalb der ATLASKollaboration am LHC
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Monte-Carlo-Simulation am LHC
Teilchenphysik-Forschung an der Schnittstelle:
Theorie
Experiment
Messungen innerhalb der ATLASKollaboration am LHC
Monte-Carlo-Simulation von
Teilchenkollisionen am LHC
•
Präzise Vorhersagen für bekannte
und neue Prozesse:
Numerische Berechnungen
•
•
•
Methodische Weiterentwicklung
von Monte-Carlo-Algorithmen
•
•
“Sherpa” = eines der häufig
genutzten Simulationsprogramme
am LHC
12.07.2016
Fokus auf neuartige Messungen
der starken Wechselwirkung
Validierung/Verbesserungen der
Monte-Carlo-Simulation
Studien zu Messdefinitionen, die
konsistent mit Möglichkeiten der
theoretischen Berechnung sind
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Theoretische Teilchenphysik
(Prof. D. Stöckinger )
 Existieren Supersymmetrische Teilchen?


Letzte fehlende Symmetrie der Quantenfeldtheorie
Würde helfen, viele Theoretische Fragen zu lösen
• Niedrige Masse des Higgs-Teilchens
• Entstehung gebrochener Symmetrien
• Vereinigung der Wechselwirkungen
• Erklärung der dunklen Materie
ca. 3000 Teilchen/m3 auch hier im Raum
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Ionenfallen (Nobelpreis Dehmelt, Paul 1989)
 ISOLTRAP Kollaboration am CERN
• Strahl des Proton-Synchrotrons trifft auf diverse Targets,
•
produziert Ionen kurzlebiger Kern-Isotope fernab der Stabilität
Eine Falle kann einzelne Ionen auf einer Kreisbahn speichern und
ihre Masse über Frequenzmessung präzise vermessen
Zyklotron Frequenz:
z0
r0
1 q
fc 
 B
2 m
 Kernphysik (Gruppe Zuber) seit Juni 2008 ISOLTRAP Mitglied
• Aufbau einer Gammaspektroskopie in den Fallenmessungen
• Ionenoptische Simulationen
12.07.2016
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Erzeugung von Kernen und Neutrinos
 Atomkerne haben „magische Zahlen“ von Protonen und Neutronen,


ähnlich wie Edelgase, die volle Elektronenhüllen besitzen.
Gelten diese auch fernab der Stabilität?
Gibt es geeignete Isotopenpaare
für die Messung von Neutrinomassen im Betazerfall?
Janssens, Nature 435 (2005)
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Suchmethode
12.07.2016
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Ein Entdeckungsprozess: Higgs  ZZ
Evolution of the 4-leptons invariant mass spectrum in 2011 and 2012 data
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12.07.2016
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Daten für Jugendliche und Öffentlichkeit
(weltweite Organisation: Gruppe Bilow)
Suche nach Higgs Teilchen
mit echten CERN Daten
CERN
 Masterclasses
10000
160
140
120
100
80
60
40
20
0
8000
6000
4000
2000
0
2005
2007
2009
2011
Participants (students)
www.physicsmasterclasses.org
www.teilchenwelt.de
12.07.2016
2013
2005
2007
Institutes
2009
2011
2013
US program
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: Neu in 2013
Drittmittelprojekte in Verbindung mit CERN
 Graduiertenkolleg GK1504 „Masse, Spektrum, Symmetrie“
(Kobel, Stöckinger, Straessner, Zuber, Siegert)
 BMBF FSP 103 Forschungsschwerpunkt ATLAS
(Kobel, Straessner, Siegert)
 Helmholtz Allianz „Physik an der Teraskala“
(Kobel, Stöckinger, Straessner)
 Helmholtz Allianz „Astroteilchenphysik“
(Zuber)
 Netzwerk Teilchenwelt
(Kobel, Bilow)
 International Masterclasses
(Bilow, Kobel)
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 … und nun zu den Angeboten für Sie !
12.07.2016
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LHC Meilensteine (über > 40 Jahre)
1979 Erste Pläne (CERN Scientific Policy Committee)
1984 Beginn Forschung und Entwicklung Beschleuniger (ECFA meeting lausanne)
1987 LHC Proto-Kollaborationen für Experimente
1989 Inbetriebnahme des Large Electron Positron Colliders LEP
1989 Erste öffentliche Präsentation durch Generaldirektor C. Rubbia
1992 Absichtserklärungen (Letters of Intent) der Experimentatoren
1994 Technische Proposals für die Experimente
1994/95 Genehmigung des LHC Projekts durch den CERN Rat (Council)
1996-1998 Genehmigung von 4 Experimenten (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb)
2000: Schließung und Abbau des Vorgängers LEP im selben Tunnel
2005: Start der Installation der LHC Dipolmagnete
2007: Ende des LHC Beschleunigerbaus
2008: Erste zirkulierende Strahlen
-------------------------------------------2009: Erste Kollisionen bei niedriger Energie < 1 TeV
2010: Erste Daten bei hoher Energie: 7 TeV
2011-2023: Erste Messphasen bei 7-14 TeV
2026-2035: Intensive Messphase “HighLumi-LHC”: 14 TeV
 Langfristige Planung und dauerhafte Expertise in Gruppen unabdingbar!
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Erstes Ereignis bei 7 TeV am 30.3.10
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Suche nach weiteren Zerfällen des Higgs
 Helmholtz-Juniorprofessur Straessner beteiligt an

Messungen zum Higgs-Zerfall in 2 Tau-Leptonen
Kopplung des Higgs tatsächlich ~ Masse der Teilchen
ATLAS-CONF-2013-108
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Der Upgrade der ATLAS KalorimeterElektronik
 Phase 1: Verbesserter Trigger von Teilchen mit
detaillierterer Detektor-Auslese bei 40 MHz
bisheriges Elektron-Signal:
Neu ab 2021:
 Mehr Kanäle: 6.000 → 60.000 und höhere Genauigkeit: 10 bit → 12 bit
 Insgesamt: Echtzeitverarbeitung von 40 Tbit Daten pro Sekunde
 Phase 2 ab 2023: komplette Detektorauslese von 180000 Kanälen
mit 40 MHz und 130 Tbit/Sekunde
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Die Entstehung der Elemente
 Die schweren Elemente oberhalb von Eisen werden durch den
s- oder r-Prozess erzeugt, der genaue Pfad in der Nuklidkarte
hängt von den Atommassen ab
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