CMS ATLAS

CMS
25
ATLAS
Das ATLAS-Experiment
Durchmesser:
Gesamtlänge:
Gesamtgewicht:
25 m
46 m
7000 t
Etwa 200 Mio. Auslesekanäle,
aufnahmebereit alle 25 ns
(40 Mio. mal pro Sekunde)
Der ATLAS Detektor im Vergleich ….
Das ATLAS-Experiment
•  Die Experimente werden nicht von CERN gebaut
•  Eigenständig, Kollaboration von Instituten (weltweit);
„ATLAS-Organisation“, Sprecher, Management-Struktur
•  Ressourcen kommen aus den Instituten
(CERN-Physiker sind Mitglieder der Kollaboration)
•  Sub-Projekte werden an Instituten durchgeführt, Detektorkomponenten werden
dort gebaut (Konzept der „deliverables“, Verantwortung beim Univ.Professor);
„Memorandum of Understanding“ zwischen ATLAS-Kollaboration und Funding
Agencies / Instituten
•  Kontrolle durch CERN review committee (LHC-committee, LHCC);
Mit internationalen Experten besetzt (Physiker, teilweise Ingenieure)
•  Finanzen werden kontrolliert durch Resources Review Board der beteiligten Länder
(Pro Land: ein Physiker (National Contact Physicist) und
ein Vertreter der „funding agencies“ (BMBF für Deutschland) )
ATLAS Deutschland:
BMBF-Forschungsschwerpunkt ATLAS
q  HU Berlin, Bonn, DESY, Dortmund, Dresden
Freiburg, Gießen, Göttingen, Heidelberg,
Mainz, LMU München, MPI München, Siegen,
Würzburg, Wuppertal
q  ~ 420 Wissenschaftler (~200 Studenten)
Etwa 3000 Wissenschaftler, davon etwa 1000 Studenten,
aus 174 Instituten und 38 Ländern
Altersverteilung der ATLAS-Physiker/innen
500
450
400
All
2690
Male
81.8%
Female
18.2%
(Status 1.1.2010)
(< 35 y
(< 35 y
(< 35 y
47.2%)
44.0%)
61.3%)
350
300
250
200
150
100
50
0
Male
Female
Since 1995 we had the Resources Review Board meeting twice a year
(here all financial matters are agreed with the Funding Agency delegates, and
the execution of the formal Memoranda of Understanding are monitored)
ATLAS Technical Design Reports
ATLAS-Detektorkonstruktion und Installation
ATLAS-Detektorinstallation (2006)
ATLAS Installation
Oktober
Januar 2007
2005
Installation von Kabeln / Versorgungsleitungen
Beispiel:
Spurdetektor im zentralen Bereich
~ 800 Personenmonate während
18 Monaten (45 Personen täglich)
~ 12900 Kabelbündel
~ 30100 weitere Kabel
~ 2800 Kühl- und Gasleitungen
Alle getestet und qualifiziert
Myon-Detektorsystem
im Vorwärtsbereich
Ein historisches Ereignis:
Schließen der LHC-Strahlröhre am 16. Juni 2008
ATLAS-Experiment bereit für die Datennahme
Die Entdeckung des Higgs-Teilchens
Ein Kandidat für einen H à γγ Zerfall
Delivered Luminosity [fb-1]
Datennahme in den Jahren 2010 - 2012
35 ATLAS Online Luminosity
30
25
2010 pp s = 7 TeV
2011 pp s = 7 TeV
2012 pp s = 8 TeV
Bis Ende 2012:
20
15
> 1015 Proton-Proton Kollisionen
10
~1010 Kollisionen aufgezeichnet
5
0
Jan
Apr
Jul
Oct
Month in Year
25 Ÿ106 Z à µµ Zerfälle registriert
•  Datennahme extrem erfolgreich (jenseits aller Erwartungen)
Beschleuniger: Strahlintensität so hoch, dass während einer Strahlkreuzung
etwa 20 Wechselwirkungen gleichzeitig stattfinden
•  Experimente: - Hohe Effizienz bei Aufzeichnung der Kollisionen: ~93.5%
- Funktionierende Detektorkanäle
>99%
- Hohe Geschwindigkeit / Effizienz in der Datenanalyse
Z à µ+ µ- Ereignis mit 20 überlagerten Kollisionen
Nach nur einem Jahr (Ende 2010) waren alle bis dahin bekannten
Teilchen wiederentdeckt !
[uu]
[dd] [ss]
~1960
[cc]
[bb]
1974
1978
1983
Vermessung der bekannten Standardmodellprozesse
July 2012
H (20pb)
H → ZZ
(0.5 pb)
„Die Physiker wissen alles über das Higgs-Teilchen,
das Einzige was sie nicht wissen ist, ob es existiert“
Die Zeit, Juli 2002
- Masse: unbekannt, nicht vorhergesagt
Theoretische obere Grenze:
Aus experimentellen Suchen:
mH < ~1000 GeV
mH > 114.4 GeV (vor LHC)
- Theorie macht präzise Voraussagen über die Stärke
der Wechselwirkung mit allen bekannten Teilchen und
über die Lebensdauer des Higgs-Teilchens
Beispiel: mH = 125 GeV à Lebensdauer
τ = 10-22 s
Zerfälle des Higgs-Teilchens
Zerfallsraten in die verschiedenen Teilchen können berechnet werden:
W+, Z, t, b, c,, τ,.........., g, γ
H
W-, Z, t, b, c,, τ ,.........., g, γ
GF
m 2f (M H2 )M H
4 2π
GF
Γ(H → VV ) = δV
M H3 (1− 4x +12x 2 )βV
16 2π
where: δZ = 1, δW = 2, x = M V2 / M H2 , β = velocity
Γ(H → ff ) = N C
Γ(H → gg) =
GFα a2 (M H2 )
36 2π 3
* $ 95 7N f
M H3 ,1+ & −
6
+ %4
2
*4
M , N C et2 − 7/
Γ(H → γγ ) =
+3
.
128 2π 3
GFα a2
3
H
' αa ) /
(π.
Entdeckung des Higgs-Teilchens
Erwartete Anzahl von Zerfällen in den Daten:
mH = 125 GeV
~ 950 H à γγ
~
60 H à ZZ à 4 ℓ
~ 9000 H à WW à ℓν ℓν
Events / 2 GeV
Ergebnis der ATLAS-Suche für H à γγ
10000
Selected diphoton sample
Data 2011+2012
Sig+Bkg Fit (m =126.8 GeV)
H
Bkg (4th order polynomial)
8000
ATLAS Preliminary
H 6000
4000
s = 8 TeV, Ldt = 20.7 fb
-1
Events - Fitted bkg
2000
500
400
300
200
100
0
-100
-200
100
s = 7 TeV, Ldt = 4.8 fb
-1
110
120
130
140
150
160
m [GeV]
Was sieht unser Konkurrenz-Experiment ?
Signifikanz des Signals
Local p
0
- Wahrscheinlichkeit für Fluktuation des Untergrunds103
102
10
1
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
-9
10-10
10
10-11
10-12
10-13
10-14110
Expected p0
Observed p0
Data 2011 s = 7 TeV
Obs. 2011
Exp. 2011
Obs. 2012
Exp. 2012
115
120
ATLAS Preliminary
H Ldt = 4.8 fb
Ldt = 20.7 fb
5
-1
6
Data 2012 s = 8 TeV
125
130
7
-1
135
140
1
2
3
4
145
150
mH [GeV]
Kandidat für einen H à ZZ à e+e- µ+ µ- Zerfall
Events/5 GeV
Ergebnis der Suche nach dem H à ZZ à 4ℓ Zerfall
ATLAS Preliminary
60
Data 2011+ 2012
50
HAZZ*A4l
Background Z+jets, tt
1.7× Signal (m =124.3 GeV)
40
Background Z, ZZ*
Syst.Unc.
H
s = 7 TeV
s = 8 TeV
0Ldt = 4.6 fb-1
0Ldt = 20.7 fb-1
30
20
10
0
100
150
200
250
m4l [GeV]
Zeitliche Entwicklung des H à ZZ à 4ℓ Signals
Zeitliche Entwicklung des H à ZZ à 4ℓ Signals
Events / 10 GeV
Ergebnis der Suche nach dem H à WW à 2ℓ 2ν Zerfall
300
250
ATLAS Preliminary
s = 8 TeV, 0 Ldt = 20.7 fb-1
(*)
HAWW Aeiµ i/µ iei + 0 jets
Data
WW
tt
Z+jets
SM (sys  stat)
WZ/ZZ/W a
Single Top
W+jets
H [125 GeV]
200
150
100
50
0
50
100
150
200
250
300
mT [GeV]
Ist es das Higgs-Teilchen ?
Erster Hinweis liefert die Stärke des Signals, d.h. die Zahl der beobachteten
Ereignisse verglichen mit den Erwartungen
ATLAS Preliminary
W,Z H bb
mH = 125 GeV
mH = 125.5 ± 0.6 GeV
-1
s = 7 TeV: Ldt = 4.7 fb
s = 8 TeV: Ldt = 13 fb -1
H s = 7 TeV: Ldt = 4.6 fb-1
s = 8 TeV: Ldt = 13 fb -1
H WW
(*)
l l
Erwartung:
s = 8 TeV: Ldt = 13 fb -1
H s = 7 TeV: Ldt = 4.8 fb-1
s = 8 TeV: Ldt = 13 fb -1
µ = 1 für das Higgs-Teilchen des
Standardmodells
(*)
H ZZ 4l
-1
s = 7 TeV: Ldt = 4.6 fb
s = 8 TeV: Ldt = 13 fb -1
Combined
s = 7 TeV: Ldt = 4.6 - 4.8 fb
s = 8 TeV: Ldt = 13 fb
-1
µ = 1.35 ± 0.24
-1
-1
µ = 0 kein Higgs-Teilchen
0
+1
Signal strength (µ)
Daten sind konsistent mit der Hypothese des Higgs-Teilchens,
allerdings sind die experimentellen Fehler noch groß !
Der Eigendrehimpuls (Spin)
Hypothesentests:
(basierend auf Winkelverteilungen
der Zerfallsprodukte)
ATLAS Preliminary
H A aa
s = 8 TeV 0 Ldt = 20.7 fb-1
H A ZZ* A 4l
s = 7 TeV 0 Ldt = 4.6 fb
-1
s = 8 TeV 0 Ldt = 20.7 fb-1
Data
CLs expected
assuming J P = 0 +
± 1m
Spin-0
Daten
alt
Spin-2
CLs ( J P )
H A WW* A eiµi/ µiei
1
s = 8 TeV 0 Ldt = 20.7 fb-1
1m
10-1
2m
10-2
3m
10-3
10-4
4m
10-5
10-6
JP = 0-
J P = 1+
J P = 1-
J P = 2 +m
Daten favorisieren sehr stark die vom Higgs-Modell vorhergesagte
Spin-0 Hypothese
(Alternativen können mit Wahrscheinlichkeiten von >99% ausgeschlossen werden)
Relevanz für die Gesellschaft
• 
Ein großartiges Ergebnis der Grundlagenforschung
Erkenntnisgewinn, kulturelle Leistung
Grundlagenforschung ist die Basis der modernen Zivilisation und des
technologischen Fortschritts
• 
Direkte Anwendungen momentan nicht absehbar
„Ähnliche“ Beispiele aus früheren Zeiten:
- Elektromagnetismus im 19. Jahrhundert
- Quantenphänomene zu Beginn des 20. Jahrhunderts
- .....
• 
Teilchenphysik, und damit auch die Higgs-Suche, hat wichtige
Technologieentwicklungen angestoßen
Anwendungen, angestoßen aus der Teilchenphysik
• 
World Wide Web (CERN)
• 
GRID-Computing
• 
Von der Entwicklung von Beschleunigern und
Detektoren profitieren Industrie, Medizin und
andere Wissenschaftszweige
Beispiele: - Positronen-Emissions-Tomographen
(e+e- à γγ)
- Beschleuniger für Strahlentherapie
- Beschleuniger in der Industrie
(z.B. Bearbeitung von Oberflächen)
• 
Transfer von Analysemethoden in Unternehmen
(IT-Unternehmen, High-Tech-Unternehmen,
Versicherungen,....)
Relevanz für die Gesellschaft
Ausbildung von Studierenden in einem internationalen und hochkompetitiven
Umfeld
Wichtige offene Fragen der Physik
-oder wie geht es weiter am LHC?-
1. Masse
Was ist der Ursprung der Masse?
Existiert das Higgs Teilchen?
2. Vereinheitlichung
- Können die Wechselwirkungen vereinheitlicht werden?
- Gibt es neue Materiezustände,
z.B. in Form von supersymmetrischen Teilchen?
Stellen diese die Dunkle Materie im Universum dar?
3.
4.
Generationenproblem
- Warum gibt es drei Familien von Teilchen?
- Was ist die Ursache der Asymmetrie zwischen
Materie und Antimaterie?
Gibt es zusätzliche Raumdimensionen?
Zusammenfassung
•  Mit der Inbetriebnahme des LHC hat für die Teilchenphysik eine neue
Ära begonnen
•  Projekt hoher Komplexität (Beschleuniger, Experimente) wurde über
eine Zeitskala von 20 Jahren in internationaler Zusammenarbeit realisiert
•  Leistungsfähigkeit des Beschleuniger und der Experimente ist hervorragend
(besser als erwartet/ geplant)
•  Sensationelle Physik-Ergebnisse nach einem Betrieb von nur drei Jahren
Der Nachweis des Higgs-Teilchens bestätigt die Hypothese des Higgs-Feldes,
das dem Vakuum “Struktur” und damit den elementaren Teilchen Masse verleiht.
•  Wir hoffen, dass dies nur der Anfang einer langen Entdeckungsreise ist.