Die Suche nach dem Higgs-Boson Workshop mit

Masterclasses
Die Suche nach dem Higgs-Boson
!
Workshop mit echten LHC Daten des ATLASExperimentes, W Pfad
!
Präsentation von Julia Woithe - Bad Honnef 24.06.2014
indico.cern.ch/e/BadHonnef2014
!
Vielen Dank an Konrad Jende für den Großteil der Folien!
1
Vorschau
11:30 - 12:30 Einführung inkl. Übung 1
12:45 - 14:00 Mittagspause
14:00 - 15:30 Higgs-Physik inkl. Übung 2
15:30 - 16:00 Kaffeepause
16:00 - 17:15 Messung
17:15 - 18:00 Diskussion
2
Teil 1 - Einführung
Ziele des Workshops
Teilchen identifizieren und Ereignisse klassifizieren können
Einblick gewinnen in die tägliche Arbeit an einem
Teilchenbeschleunigerexperiment
Verstehen wie Physiker das Higgs-Boson nachgewiesen haben
3
Teil 1 - Einführung
Monte Carlo
Simulation
Daten zu Bildern 1
Rekonstruktion
der Ereignisse
Datenspeicherung
im LHC Datengrid
Analyseprogramm
Abb. 1: Grafik zur Veranschaulichung des Datenflusses vom Experiment bis
zum zu betrachtenden Event Display
4
Einführung
ATLAS-Detektor
Physik
W-Boson
Higgs-Boson
5
Teil 1 - Einführung
Teilchenidentifikation 1
Abb. 2: ATLAS-Detektor mit seinen wichtigsten Komponenten
6
Teil 1 - Einführung
Teilchenidentifikation 2
Video 1: Episode II: The Particles Strike Back >> www.atlas.ch/multimedia/episode-2.html#episode-2-german
7
Teil 1 - Einführung
Teilchenidentifikation 3
Abb. 3: Particle Identification App ATLAS >> http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_teilchenid1.htm
8
TeilchenID-App
Vorbereitung
Was wird benötigt?
!
✴
Computerzugang:
✴
Benutzername: teacherG ✴
Passwort: Einstein1879
✴
WLAN einrichten: PBH / 011235813
✴
Google Chrome von Desktop starten
✴
Navigation von zu >> Teilchenidentifikation
(http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_teilchenid1.htm)
✴
ggf. Netzwerk Teilchenwelt Materialsammlung S. 39
Aufgabe: Machen Sie sich mit den Signalen verschiedener
Teilchen und Teilchensysteme im ATLAS Detektor in der
Querschnittsansicht sowie in der Längsschnittansicht vertraut. 9
Teil 1 - Einführung
Teilchenidentifikation 4
Jets?
Abb. 4: Teilchensorten unterscheiden im ATLAS-Detektor >> Materialsammlung des Netzwerks Teilchenwelt S. 39 bzw. http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-fuer-lehrkraefte/atlas-detektor/
10
Teil 1 - Einführung
Physik 1
Impuls des Protons ≠ Impuls eines Partons
Valenz'
quark,
See'
quark,
pProton
pParton1
pParton2
Abb. 5: Struktur des Protons (Parton-Modell) und Impulsbetrachtungen bei der Wechselwirkung
11
Teil 1 - Einführung
Physik 2
Konzentration auf ein Teilchen
Warum ist das W-Boson interessant?
!
Kernfusion
http://www.particlezoo.net
Anwendung Radioaktivität in Medizin (Szintigrafie),
Kunst und Archäologie (Altersbestimmung)
Schwache Wechselwirkung ermöglicht Familienwechsel
12
Teil 1 - Einführung
Physik 3
Produktion des W-Bosons
q"
W±"
103 events/s
q’"
Abb. 6: Quark-Antiquark-Annihilation und Produktion eines WBosons (Häufigster Prozess)
10-1 events/s
In einem 10 Stunden Lauf des LHC werden bei
L=1034cm-2s-1 36.000.000 W-Bosonen produziert.
Abb. 7: Wirkungsquerschnitt für Teilchenproduktionen bei
hohen Schwerpunktsenergien, aus [3]
13
Teil 1 - Einführung
Physik 4
Produktion des W-Bosons - Erkenntnis zur Struktur des Protons?
u"
u" d"
u"
u" d"
q"
W±"
q’"
Messaufgabe zu den W-Teilchen:
!
1. Finden Sie in Ihrem Datenpaket Ereignisse, in denen vermutlich ein W-Teilchen erzeugt wurde.
2. Bestimmen Sie bei diesen Ereignissen die elektrische Ladung des W-Teilchens.
3. Bestimmen Sie das Verhältnis der Ereigniszahlen von W+ zu W-, genauer: R± = |W+|/|W-|
!
Welchen Wert für R± erwarten Sie? Begründen Sie diese Entscheidung.
14
Teil 1 - Einführung
Physik 5
Zerfall - W-Boson
W-Boson
Lebensdauer: ≈ 10-25s
Masse:
80.385±0.015 GeV/c2
Zerfallsraten in %:
hadronisch:
67.6%
leptonisch:
32.4%
davon e,µ: 21.3%
!
>> http:/pdg.lbl.gov/
Abb. 7: Feynman-Diagramme zum Zerfall des W-Bosons in
Lepton-Antileptonpaar der ersten beiden Familien >> http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_lhcphysics2.htm
!
15
Teil 1 - Einführung
Physik 6
Eigenschaften der Ereignisse
mit zerfallenen W-Bosonen
Zerfall - W-Boson
genau ein hochenergetisches,
elektrisch geladenes Lepton [entweder
Myon (bzw. Antimyon) oder Elektron
(bzw. Positron)]
fehlender transversaler Impuls als
Zeichen für das nicht-detektierbare
Neutrino
Abb. 7: Feynman-Diagramme zum Zerfall des
W-Boson
elektrisch geladenes Lepton muss
isoliert (von Jet) sein
16
Teil 1 - Einführung
Teilchenidentifikation 5
17
Teil 1 - Einführung
Physik 7
Produktion des W-Teilchens - häufigster Prozess: QuarkAntiquark-Annihilation u + ƌ → W+ → führt zu geringem transversalen Impuls des W-Bosons
(siehe Abb. 8)
Zerfall des W-Bosons in ein Leptonenpaar (ein Lepton
elektrisch geladen, das andere elektrisch neutral)
( ) () ()
mW
EW
px, W
py, W
pz, W
→
ml
El
px, l
py, l
pz, l
,
mν
Eν
px, ν
py, ν
pz, ν
in Ebene senkrecht zur Strahlrichtung → Messung des
Impulsanteils des Neutrinos → messbar als fehlender
Abb. 8: transversale
Impulsverteilung der Ws; aus [2]
pT
u
e+
ϴ
W+
ƌ
ν
transversaler Impuls (MET, ET, pT, ET,miss)
“Masse de s W-Boso ns w ird beim Z e rfall in Impu ls
umgewandelt” → Bestimmung transversaler Größen wie
transversaler Impuls pT
18
d
ET
Abb. 9: Kinematik des W-Zerfalls
Teil 1 - Einführung
Physik 8
Signalereignis
W+
vs.
Untergrundereignisse
b
ν
D*
b
e
e
B0
Abb. 10: Quark-Antiquark-Annihilation und Produktion eines W-Bosons
ν
(b)[b]→(e +ν+D*)+[b]
Ein Signalereignis kennzeichnet einen bestimmten
physikalischen Pro ze ss (zu m Beisp eil die
Erzeugung eines W+-Teilchens). Ein Prozess, der zwar eine dem Signalereignis
identische Signatur im Detektor hinterlässt,
ursprünglich aber einem anderen physikalischen
Prozess (z.B. Erzeugung eines Z-Teilchens,
Antitauon oder eines b-Quark-Paares) zuzuordnen
W+
ν
τ
ν
e
W+→(τ)+ν→(e+ν+ν)+ν
Z0
e
e
ist, wird als Untergrundereignis bezeichnet.
19
ν
Z0→e+e
Abb. 11: Untergrundereignisse (W-Bosonen)
Teil 1 - Einführung
Physik 9
Eigenschaften der Ereignisse
mit zerfallenen W-Bosonen
genau ein hochenergetisches, elektrisch
geladenes Lepton [entweder Myon (bzw.
Antimyon) oder Elektron (bzw. Positron)]
mit pT>20 GeV/c
Abb. 12: diff. Wirkungsquerschnitt von Myonen in
Abhängigkeit des transversalen Impulses; aus [1]
fehlender transversaler Impuls als
Zeichen für das nicht-detektierbare
Neutrino mit ET,miss>20GeV
elektrisch geladenes Lepton muss
isoliert von Jet sein
20
Abb. 13: Verteilung der ET,miss aus Ereignissen mit
hochenergetischen Elektronen; aus [2]
Übung 1
Vorbereitung
Was wird benötigt?
!
✴
✴
Computerzugang:
✴
Benutzername: teacherG ✴
Passwort: Einstein1879
Navigation von zu >> Teilchenidentifikation >> Übung 1
(http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_exercise1.htm)
✴
Hinweise: PT = Transversalimpuls, MET = fehlender
Transversalimpuls, Charge = elektrische Ladung
!
Aufgabe: Identifizieren Sie die Teilchen in den Beispielereignissen.
Entdecken Sie ein Ereignis, bei dem möglicherweise ein W-Teilchen
zerfallen ist? 21
Vorschau
11:30 - 12:30 Einführung inkl. Übung 1
12:45 - 14:00 Mittagspause
14:00 - 15:30 Higgs-Physik inkl. Übung 2
15:30 - 16:00 Kaffeepause
16:00 - 17:15 Messung
17:15 - 18:00 Diskussion
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Vorschau
11:30 - 12:30 Einführung inkl. Übung 1
12:45 - 14:00 Mittagspause
14:00 - 15:30 Higgs-Physik inkl. Übung 2
15:30 - 16:00 Kaffeepause
16:00 - 17:15 Messung
17:15 - 18:00 Diskussion
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Teil 1 - Einführung
Physik 10
Abb. 14: Dominante Produktionsmechanismen des Standardmodell HiggsBosons bei Proton-Proton-Kollisionen (aus [5])
Produktion - H-Boson
Abb. 15: Wirkungsquerschnitt bei der
Produktion des Standardmodell HiggsBosons bei 7 TeV (aus [6])
24
Teil 1 - Einführung
Physik 11
Zerfall - H-Boson
H-Boson
Lebensdauer: ≈ 10-22s
Masse:
125.36 GeV/c2
125.36 ± 0.37 (stat) ± 0.18 (syst) GeV (15.06.2014)
https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/HiggsPublicResults
oder http://arxiv.org/abs/1406.3827
Abb. 17: Verzweigungsverhältnis des Higgs-Zerfalls in
Abhängigkeit der Higgs-Masse (aus [6])
Abb. 16: Feynman-Diagramm zum Zerfall des
Higgs-Boson in zwei W-Bosonen
25
Teil 1 - Einführung
Physik 12
Die Problematik bei der Suche H
→ WW
Faktor 10
Abb. 19: Wirkungsquerschnitte der WW- und Higgs-Produktion (aus [7])
Abb. 18: Signal (oben) vs Untergrund (unten)
26
Teil 1 - Einführung
Physik 13
Higgs
Higgs
Produktion
WW
WW
Zerfallskanal
Subkanal
lνlν
l l +
nJets
+n·Jets
l qq
ZZ
…
llll
llqq
bb
…
…
Eigenschaften der Ereignisse mit zerfallenen H-Bosonen im
Zerfallskanal H → WW → lνlν + n·Jets (n=0,1)
genau zwei hochenergetische, elektrisch unterschiedlich geladene Leptonen:
Myon+Antimyon vs. Elektron+Positron vs. Elektron+Antimyon vs. Positron + Myon
mit pT,lead>20 GeV/c und pT,sub>10 GeV/c
fehlender transversaler Impuls als Zeichen für das nicht-detektierbare
Neutrino mit ET,miss>20GeV (wenn Leptonen aus unterschiedlichen Familien, also
bspw. Elektron und Antimyon) bzw. ET,miss>40GeV (wenn Leptonen aus gleicher
Familie, Bsp.: Elektron und Positron)
Leptonen isoliert von Jets + 0 oder 1 Jet im Ereignis
27
Teil 1 - Einführung
Physik 14
Frage: Wie kann man nun die Higgs-Bosonen (in diesem Zerfallskanal)
bei einem bis zu 10mal größerem Untergrund (WW und andere) finden?
in dem man Kenngrößen herausfindet,
die für Signal und Untergrundprozesse
unterschiedliche Werte annehmen
!
Neutrinos linkshändig (Spin antiparallel
z u m I m p u l s) v s. A n t i n e ut r i n o s
rechtshändig (Spin parallel zum Impuls)
legt fest, dass elektrisch geladene
Le pto n en in nahe zu die gleiche
Richtung laufen
!
Messen Sie den Winkel zwischen den
beiden elektrisch geladenen Leptonen
in der transversalen Ebene Δ ll
28
Abb. 20: Beziehungen zwischen Spin und Händigkeit
beim Higgs-Zerfall in zwei W-Teilchen, die wiederum
leptonisch zerfallen
Teil 1 - Einführung
Physik 15
Messaufgabe zu den WW-Ereignissen:
!
1. Finden Sie in Ihrem Datenpaket Ereignisse in denen vermutlich zwei W-Teilchen erzeugt wurden.
2.Bestimmen Sie bei diesen Ereignissen den Winkel zwischen den Leptonen in der Transversalebene
3. Ermitteln Sie eine Häufigkeitsverteilung der aufgetretenen Winkel.
!
Welche Winkelverteilung erwarten Sie?
29
Physik
Zusammenfassung
Teil 1 - Einführung
Strategien, Methoden, Werkzeuge für die Suche nach Teilchen sind sehr
unterschiedlich
!
Ereignisse mit einem W-Teilchen (hochenergetisches, elektr. geladenes Lepton mit
pT>20 GeV/c isoliert von Jets, Neutrino über ET,miss>20GeV)
!
Suche nach dem Higgs geschieht in vielen Zerfallskanälen, u.a. H→WW
!
Ereignisse mit zwei W-Teilchen (zwei elektrisch unters. geladenen Leptonen mit
pT,lead>20 GeV/c und pT,sub>10 GeV/c isoliert von Jets, Neutrinos über ET,miss>20GeV
bzw. ET,miss>40GeV (wenn Leptonen aus einer Familie))
!
diese stammen in 10-20% der Fälle vom Zerfall des Higgs-Teilchen
!
statistische Untersuchung mittels Öffnungswinkel der elektr. geladenen Leptonen
in der transversalen Ebene ist notwendig
30
Übung 2
Vorbereitung
Was wird benötigt?
!
✴
Website >> Ereignisidentifikation >> Übung 2
(http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath_exercise2.htm)
✴
Event Display ‘MINERVA’ (Anwendung ‘atlantis’ vom
Desktop starten)
✴
Laden von „Exercise2-2014.zip“
✴
Hilfsmittel: Flowchart + Handout + Fragen!!
!
Aufgabe: Identifizieren Sie die 10 Beispielereignisse.
Nutzen Sie dabei das ausgeteilte Flowchart und die
Feedbackfunktion der Website.
31
Hilfsmittel
32
Vorschau
11:30 - 12:30 Einführung inkl. Übung 1
12:45 - 14:00 Mittagspause
14:00 - 15:30 Higgs-Physik inkl. Übung 2
15:30 - 16:00 Kaffeepause
16:00 - 17:15 Messung
17:15 - 18:00 Diskussion
33
Vorschau
11:30 - 12:30 Einführung inkl. Übung 1
12:45 - 14:00 Mittagspause
14:00 - 15:30 Higgs-Physik inkl. Übung 2
15:30 - 16:00 Kaffeepause
16:00 - 17:15 Messung
17:15 - 18:00 Diskussion
34
Teil 3 - Messung
Aufgaben bei der Messung
Aufgaben
1. Messen Sie das Verhältnis (R±) der Anzahl von Ereignissen mit
elektrisch positiv zu elektrisch negativ geladenen W-Teilchen.
2. Was bedeutet der unter 1. ermittelte Messwert für den inneren
Aufbau des Protons? Begründen Sie!
3. Messen Sie in allen zu findenden Ereignissen mit zwei W-Teilchen
den Winkel zwischen den beiden elektr. geladenen Leptonen in
der transversalen Ebene.
4. Lassen sich anhand der Winkelverteilung und der theoretischen
Vorhersagen Aussagen über das Signal zu Untergrund Verhältnis in bestimmten Winkelbereichen treffen?
35
Vorbereitung auf die
Messung 1
Teil 2 - Übungen
Was wird benötigt?
!
✴
Webseite: http://www.cern.ch/kjende/de/wpath.htm
✴
Ereignispakete (2A.zip ... 2T.zip) befinden sich im
Ordner ‘events’ des Event Display Programms
✴
Strichliste
✴
Begleitmaterialien
36
Vorbereitung auf die
Messung 2
Nach der Messung sollen die Messwerte aller Gruppen kombiniert
werden. Dazu tragen Sie bitte Ihre Messwerte in der folgenden
online-Tabelle ein:
!
✴
tinyurl.com/higgsinbadhonnef
✴
alternativ:
👆
37
Teil 3 - Messung
Messung
Viel Spaß bei Ihrer ersten LHC-Datenanalyse
Fragen sind dringend
erwünscht und
notwendig zur
erfolgreichen
Bewältigung der
Aufgaben
38
Vorschau
11:30 - 12:30 Einführung
12:45 - 14:00 Mittagspause
14:00 - 15:30 Übungen
15:30 - 16:00 Kaffeepause
16:00 - 17:15 Messung
17:15 - 18:00 Diskussion
39
Vorschau
11:30 - 12:30 Einführung
12:45 - 14:00 Mittagspause
14:00 - 15:30 Übungen
15:30 - 16:00 Kaffeepause
16:00 - 17:15 Messung
17:15 - 18:00 Diskussion
40
Teil 4 - Diskussion
Auswertung/Diskussion 1
Aufgaben
1. Miss das Verhältnis (R±) der Anzahl von Ereignissen mit elektrisch
positiv zu elektrisch negativ geladenen W-Teilchen.
2. Was bedeutet der Messwert von 1. für den inneren Aufbau des
Protons? Begründe!
tinyurl.com/higgsinbadhonnef
41
Teil 4 - Diskussion
Auswertung/Diskussion 2
Aufgaben
1. Miss in allen zu findenden Ereignissen mit zwei W-Teilchen den
Winkel zwischen den beiden Leptonen in der transversalen Ebene.
2. Lassen sich anhand der Winkelverteilung und der theoretischen
Vorhersagen Aussagen über das Signal zu Untergrund - Verhältnis
in bestimmten Winkelbereichen treffen?
http://kjende.web.cern.ch/kjende/results/results.php?institutID=234
42
Teil 5 - Anhang
Literatur
The ATLAS Collaboration: Measurement of the muon inclusive cross section in pp collisions at sqrt(s) = 7
[1]
TeV with the ATLAS detector, 21.11.2011
! >> arxiv.org/pdf/1111.4928.pdf
!
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The ATLAS Collaboration: Measurement of the W->lnu and Z/gamma*->ll production cross sections in
[2]
proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector, 09.10.2010
! >> http://arxiv.org/abs/1010.2130
The ATLAS Collaboration: ATLAS high-level trigger, data-acquisition and controls : Technical Design
[3]
Report. Geneva, CERN, 2003.
! >> http://cds.cern.ch/record/616089/files/cer-002375189.pdf
Joe Incandela on behalf od the CMS Collaboration: Status of the CMS SM Higgs Search. CERN[4]
Seminar, 04.07.2012. ! >> https://cms-docdb.cern.ch/cgi-bin/PublicDocDB/RetrieveFile?docid=6125&filename=CMS_4July2012_Incandela.pdf A. Djouadi: The anatomy of electroweak symmetry breaking Tome I: The Higgs boson in the Standard
[5] Model, 03.05.2005, arXiv
! >> http://arxiv.org/abs/hep-ph/0503172
[6]
LHC Higgs Cross Section Working Group (HXSWG).
! >> https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/LHCPhysics/CrossSections#Latest_plots.
A. Sopczak, „Status of Higgs boson searches at the beginning of the LHC era“
[7] J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 39 (2012) 113001 (161pp) doi:10.1088/0954-3899/39/11/113001
>> http://iopscience.iop.org/0954-3899/39/11/113001/
43
Teil 5 - Anhang
Webseiten
[www1]
http://www.cern.ch/kjende/de/wpath.htm - Webseite zur ATLAS W-Messung bei Masterclasses
[www2]
http://www.cern.ch/kjende/de/wpath_teilchenid1.htm - Webseite mit interaktivem Applet zur
Teilchenidentifikation in ATLAS
!
!
!
[www3]
!
!
[www4]
!
!
!
!
http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/downloads.htm - Link zu Downloads (Event Display
Programms MINERVA 2014, Exercise2-2014, Strichlisten)
!
http://www.atlas.ch - offizielle Webseite des ATLAS-Experimentes mit sehr guter MultimediaAbteilung
!
[www5]
http://www.physicsmasterclasses.org - Informationen zu den Internationalen Masterclasses
[www6]
http://www.teilchenwelt.de - Webseite des deutschen Netzwerk Teilchenwelt mit Informationen
zur Beteiligung im Netzwerk, Veranstaltungen (Teilchenwelt-Masterclasses und Cosmic Workshops)
auch an Ihrer Schule uvm.
!
!
44