Feedback on Young Investigator Programme

Teilchenbeschleuniger LHC:
Auf der Suche nach dem
Ursprung der Masse
FSP 101
Jun. Prof. Dr. A. Straessner
TU Dresden
Studium Generale
Ringvorlesung “Naturwissenschaften aktuell”
TU Dresden
15. Oktober 2009
ATLAS
Inhalt
• Einführung:
• Was ist Masse?
• Die Welt der kleinsten Teilchen
• Das Konzept der Masse in der Teilchenphysik
• Aktuelles zum Higgs-Boson
• Der Large Hadron Collider (LHC) und seine Experimente
• Suche nach Higgs-Bosonen und neuen Teilchen am LHC
• Zusammenfassung
Suche nach der Herkunft der Masse
-
Arno Straessner
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Was ist Masse?
• Fahrrad (10 kg) anschieben
LEICHT
Suche nach der Herkunft der Masse
-
Arno Straessner
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Was ist Masse?
• Fahrrad (10 kg) anschieben
LEICHT
• Auto (1000 kg) anschieben
SCHWER
Suche nach der Herkunft der Masse
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Arno Straessner
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Was ist Masse?
• Fahrrad (10 kg) anschieben
LEICHT
• Auto (1000 kg) anschieben
SCHWER
• genauer: mehr Masse bei gleicher Kraft → geringere Beschleunigung
Suche nach der Herkunft der Masse
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Masse und Gravitation
• Gewicht auf der Waage:
Suche nach der Herkunft der Masse
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Masse und Gravitation
• Gewicht auf der Waage:
• Anziehungskraft zwischen Erde und Mensch
→ Gravitationskraft ~ MErde • MMensch
aber auch zwischen Erde und Mond:
Gravitationskraft ~ MErde • MMond
und so weiter...
Suche nach der Herkunft der Masse
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Die Masse von Elementarteilchen
• Flugbahn von gleich geladenen Teilchen im Magnetfeld:
• grosse Masse → Ablenkung durch Magnetkraft geringer → grosser Radius
• kleine Masse → Ablenkung durch Magnetkraft größer
→ kleiner Radius
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Die Masse von Elementarteilchen
• Elektronen auf Kreisbahn im Magnetfeld → Radius um so größer je massiver das
Teilchen
e-
• präzise Messung der Masse von Elektron und Proton in Teilchenfallen
NP 1989
Masse des Protons ~ 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms
Masse des Elektrons ~ 1/1800 Masse des Protons
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Innere Struktur der Protonen
Das Elektron ist ein Elementarteilchen
→ keine innere Struktur
Und das Proton?
Beschuss von Protonen mit Elektronen:
Friedman, Kendall, Taylor 1969: punktförmige Objekte im Proton
NP 1990
“up” und “down” Quarks
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Die Welt der Elementarteilchen
3 Familien von
Quark-Paaren
3 Familien von
Leptonen und Neutrinos
Elektron und seine
schweren Partner
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Kräfte und Wechselwirkungen
Zu jeder Wechselwirkung zwischen Teilchen gehört eine Ladung
Stärke der Kraft ist proportional zur Ladung
Kraft wird übermittelt durch Austausch von Botenteilchen
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Elektromagnetische Kraft
Ladung: +n oder -n
Botenteilchen: Photon
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Schwache Kraft
• schwache Kraft trägt zu solaren
Fusionsprozessen bei:
• schwache Ladung
• W± und Z Bosonen sind
die Botenteilchen der
schwachen Kraft
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Starke Kraft
• bindet Protonen und Neutronen im Atomkern
→ Kernkraft
• bindet Quarks im Proton und Neutron
• Quarks tragen “Farbladung”:
grün
anti-rot
blau
anti-blau
rot
anti-grün
• Botenteilchen: farbige Gluonen
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Starke Kraft
• bindet Protonen und Neutronen im Atomkern
→ Kernkraft
• bindet Quarks im Proton und Neutron
• Quarks tragen “Farbladung”:
rot
anti-blau
grün
anti-grün
blau
anti-rot
Farbrad kann gedreht werden, ohne
dass sich die Kraft ändert:
→ Symmetrie
• Botenteilchen: farbige Gluonen
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Das Standardmodell
elektro-schwache Wechselwirkung
NP 1979
Glashow, Salam, Weinberg
starke Wechselwirkung
Quanten-Chromo-Dynamik
Gross, Politzer, Wilczek
NP 2004
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Ein Problem der Theorie
Woher bekommen die Teilchen ihre Masse?
In der ursprünglichen elektroschwachen Theorie sind die Teilchen masselos
Aber: z.B. das Elektron hat eine Masse
~ 1/1800 der Protonmasse
W und Z Bosonen haben eine Masse ~ 80-90 x Protonmasse
Problem der Theorie: keine Symmetrie mit massiven W- und Z-Teilchen
W1
W+
W2
W3
B
W-
Photon
masselose Teilchen
Z
massive W- und Z-Teilchen
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Der Ausweg: Spontane Symmetriebrechung
Erfinder im Bereich Teilchenphysik: Yoichiro Nambu
Die Theorie
ist symmetrisch
NP 2008
Der Zustand niedrigster Energie
ist nicht symmetrisch
masselose
Teilchen
Teilchen mit Masse
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Das Higgs-Feld
• Englert & Brout, Higgs und Kibble 1964: Das Higgs-Feld bricht die Symmetrie spontan!
• nach Symmetriebrechung: massive W ± und Z Bosonen
• Anregung des Higgs-Feldes:
Das Higgs-Boson
Entdeckung des Higgs-Bosons = Nachweis des Higgs-Feldes
der letzte fehlende Baustein im Standardmodell
das Higgs-Feld verleiht den Teilchen ihre Masse
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Das Higgs-Feld anschaulich gemacht
nach D. Miller – University College
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Teilchen bekommen Masse
nach D. Miller – University College
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Das Higgs-Boson ist auch massiv
nach D. Miller – University College
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… aber Photonen sind masselos
nach D. Miller – University College
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Sichtbare Masse im Alltag
• Summe der Massen aller Elementarteilchen im Körper << MKörper
Hauptanteil sind Protonen und
Neutronen im Atomkern, aber:
Masse der elementaren Bausteine
(Quarks) ist 200 mal kleiner als die
Protonmasse!
• Masse von Atomkernen → Bindungsenergie der Kernkraft
E = mc2
• Masse von Elementarteilchen → Higgs-Feld
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Warum sind Teilchenmassen trotzdem wichtig?
• Beispiel:
(Cahn 1996)
• Änderung des Higgs-Feldes (VEV • 2) → 2-fache des Masse des W-Bosons
• Konsequenz: Geschwindigkeit von Kernreaktionen ändert sich um Faktor 4
• Gesamt-Leuchtkraft der Sonne bleibt etwa gleich, der Durchmesser ändert sich:
• Temperatur der Sonne um 22% höher, Sonne ist kleiner und heller
• Sichtbares Licht wird von grün nach ultraviolett verschoben
→ keine Grünpflanzen
→ mehr Sonnencreme
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Die Suche nach dem Higgs-Boson
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Higgs-Produktion in pp-Kollisionen
nach HP Beck
Proton
Higgs
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Proton
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Der Large Hadron Collider in Genf
LHCb
ATLAS
ALICE
26.7 km Umfang
Tunnel in 50-100 m Tiefe
4 Experimente
Protonen mit 99.9999991 %
der Lichtgeschwindigkeit
CMS
• 2808 Teilchen-Pakete mit je 1011 Protonen pro Strahl
• alle 25 ns eine Strahl-Kreuzung mit bis zu 23 ProtonProton-Stößen
14000 GeV
p
p
• Energie pro Strahl: 362 MJ
→ Energie zum Schmelzen von 500 kg Kupfer
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Der Large Hadron Collider
• 1232 supraleitende Dipolmagnete (15 m, 35 t):
• gekühlt auf 1.9 Kelvin (-271 oC)
• max. Magnetfeldstärke: 8.35 T
(170.000 x Erdmagnetfeld)
• 120 t supra-fluides Helium
• gespeicherte Energie: 11 GJ
• Stromverbrauch 120 MW
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Vor etwa einem Jahr…
Info:
LHC 4,7 Mrd CHF
Experimente je 1,1 Mrd CHF
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LHC-Reparatur nach September '08
• Unfall während eines Strahltests bei 5000 GeV:
• Dipol-Quadrupol-Verbindung wurde normalleitend
• Lichtbogen brennt Loch in die Vakuumisolation → unkontrolliertes Heliumleck
• Resultat:
Einbau eines Quadrupolmagneten nach Reparatur
• 53 Magnete wurden an die Oberfläche gebracht, repariert und wieder installiert
• neue Druck-Ventile, neue Methoden zur präzisen Widerstandsmessung (kalt, warm)
• aktuell: wichtigste Reparaturen der Magnetverbindungen sind abgeschlossen
→ Abkühlen hat wieder begonnen
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Status 9. Oktober 2009
Kühlung auf unter 2 Kelvin
Ort der Tragödie
Neustart: November 2009
zunächt bei 2 x 450 GeV Einschuss-Energie
in 2010 bei halber Maximal-Energie 2 x 3500 GeV danach 2 x 5000 GeV
nach weiteren Reparaturen (>2013) → volle Energie
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Viele Besucher am CERN…
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Antimaterie? Ja, aber nicht so
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Die LHC-Experimente
ATLAS
CMS
Higgs und mehr …
LHCb
ALICE
Materie/Antimaterie-Asymmtrie
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Schwere Ionen
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Der ATLAS-Detector
• Größe: 46m x 22m x 22m
• Gewicht: 7000 t
|η|<4.9
|η|<3.0
4 Tesla
|η|<2.5
2 Tesla
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Die internationale ATLAS Kollaboration
+
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Das ATLAS Experiment beim Aufbau
Toroid-Magnet - LAr-Kalorimeter - SCT Endkappe
1996
2001
2003
Pixel Detector
TGC und MDT Myon-Spektrometer
MDT=Monitored Drift Tubes
TGC=Thin Gap Chambers
SCT=Semiconductor Tracker
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Das erste LHC-Strahlereignis in ATLAS
• September 2008
• Proton-Strahl trifft auf
Kollimator → Teilchenschauer
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Erste Sichtung des “Higgs” am LHC
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H→ZZ →4ℓ
Simuliertes Ereignis
H→ZZ → e+e-μ+μmit mH=130 GeV
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Wie sehen wir das Higgs?
• Grundlage: statistische Datenanalyse - hier simuliert zur Optimierung der Suche
• viele andere Zerfallskanäle tragen am Ende bei
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Das Higgs-Boson kann nicht entkommen...
... wenn es existiert
H→ZZ→4μ
5 σ Entdeckung
95% C.L. Ausschluss
3 sehr gute Jahre*
1 sehr gutes Jahr*
experimentelle
Ausschluss-Grenzen
*leider nicht das erste Jahr
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mH
theoretische
Grenze
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Gibt es weitere Symmetrien?
• Supersymmetrie:
Fermion ↔ Boson
mehr Higgs-Bosonen (5 !) und ein Superpartner für jedes Teilchen
• löst einige fundamentale Theorie-Probleme mit dem Higgs-Boson des Standardmodells
• hat auch Konsequenzen in der Kosmologie
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Suche nach Supersymmetrischen Teilchen
q
X
p

p
g
qL
 20
q
q
0
1
leichtestes SUSY-Teilchen entkommt
 fehlende Energie im Detektor
R
nicht leuchtende, unbekannte,
schwere Materiebausteine
• Teilchenphysik und Kosmologie
sind eng verbunden
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Zusammenfassung
• Der LHC started bald – die Experimente sind bereit
• Finden wir den Ursprung der Masse der
Elementarteilchen?
• Entdecken wir Dunkle Materie?
• Spannende Zeiten brechen an für die Teilchenphysik
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