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Physik bei HERA:
Das ZEUS-Experiment
und ein wenig von H1
Thomas Schörner-Sadenius
UHH, 25. Januar 2005
Experimentelle Methoden der Teilchenphysik
Übersicht
DESY+
HERA
 Labor
 Beschleuniger
ZEUS
(+H1)
 Detektoren
 Arbeitsorganisation
HERAPhysik
 Inklusive Messungen: F2, elektroschwache Physik
 QCD rauf und runter
 Exotisches
Ausblick
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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Das DESY-Umfeld
Viele Beschleuniger und einiges an Geschichte
Gluon-Entdeckung
bei PETRA
Derzeit 920-GeV-Protonen
auf 27.5-GeV-Positronen.
Ca. 3000 “User” am DESY in
den verschiedensten Bereichen.
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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Der Upgrade HERA I  HERA II
Signifikant mehr Daten!
HERA I (bis 2000):
e+p-Streuung: 100 pb-1
e-p-Streuung: 15 pb-1
HERA II (seit 2003):
Ziel: 1000 pb-1 bis 2006/7
[Verbesserte Suche nach neuer
Physik; höhere Präzision bei vielen
Messungen (hohe Q2).]
Soll erreicht werden durch
bessere Strahlfokussierung
(Faktor 5 höhere Ereignisrate).
Ausserdem: Polarisation der
Strahlen  schwache WW).
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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H1 und ZEUS
Die einzigen ep-Experimente
• Internationale Kollaborationen mit Beteiligung von ca. 300-400
Physikern aus 14 Ländern und 59 Instituten (ZEUS).
• Teilchendetektoren in den Hallen Nord (H1) und Süd (ZEUS)
des HERA-Rings.
– Vielzweckapparate (Messung von Energien und Impulsen einer
Vielzahl von Teilchen über fast 4.
– Asymmetrischer Aufbau, da Schwerpunkt gegenüber dem Labor
bewegt ist (Ee = 27.5 GeV, Ep = 920 GeV, Massen!).
– Datennahme seit 1992; Betrieb bis 2006/7 geplant.
[Anmerkung: Es gibt zur Zeit nicht viele laufende HEP-Experimente!]
Stichwort Besichtigung ZEUS!
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TSS: ZEUS
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Das ZEUS-Experiment
Zwiebelschalenfoermiger Aufbau
Wechselwirkungspunkt
Muon-Kammern
20*12*11 Meter
3600 Tonnen
Ca. 25 Komponenten
Vertex-Detektor
Nachweis der Zerfaelle
langlebiger Teilchen
p
Weitere
Kalorimeter
Solenoid
e
Spurkammer CTD
25. Januar 2005
Feld/Signal-Draehte
(Ionisationsnachweis,
Impulsmessung
geladener Teilchen) TSS: ZEUS
Uran-Kalorimeter UCAL
(Energiemessung neutraler
und geladener Teilchen)
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Das ZEUS-Kalorimeter
Energiemessung mit Uran
Teilchen deponieren
Energie in Szintillator 
Licht!
Licht wird mit Lichtleitern zu
Photomultipliern (Sekundaerelektronenvervielf.) gebracht
Vom Photomultiplier zum
elektronischen Signal
electron
anode
vacuum
dynodes
Ein Barrel-Modul
Kalorimeter-Geometrie
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TSS: ZEUS
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Das ZEUS-Kalorimeter
Funktionsweise
“Tower”
“Cell”
“EMC”
“HAC1”
“HAC2”
Cells werden auf beiden Seiten von PMTs ausgelesen
 stabil gegen Ausfall!
 zusaetzliche Ortsaufloesung durch Schwerpunktsbildung
Insgesamt ca. 11000 PMTs. Die erste Elektronik sitzt noch am Detektor
 kurze Signalwege (Rauschen), aber schlecht zugaenglich!
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TSS: ZEUS
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Das ZEUS-Kalorimeter
Bedeutung des Urans
Wir wollen elektromagnetisch und hadronisch wwirkende Teilchen messen
Aber: Die hadronische Komponente leidet oft unter Verlusten (z.B.
unentdeckte Neutronen etc.)
Konsequenz: Ein deponiertes GeV elektromagnetischer Energie sieht
“nach mehr aus” als ein GeV hadronischer Energie.
Uran:
setzt bei der Spaltung Neutronen frei, die zu zusaetzlicher
Energiedeposition fuehren – das Uran “kompensiert” also die
hadronischen Verluste.
Ergebnis: Sehr gute Energieaufloesung fuer Hadronen bei Zeus:
(E)/E = 0.35/sqrt(E [GeV])
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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ZEUS-MVD
Spurmessung mit 20 m
Zeus hat einen neuen SilikonMikrovertex-Detektor
eingebaut, der der genauen
Spurmessung am WW-Punkt
dienen soll. Uni HH war
massgeblich beteiligt !
Schwere Mesonen =
hohe Lebensdauern 
Zerfall nach ~mm!
Nachweis d. Vertex
 b,c-Physik.
600 Silizium-Streifendetektoren
e
360k elektrische
Kanaele im Readout!
p
Wechselwirkungspunkt
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TSS: ZEUS
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Arbeit in einer Kollaboration
Arbeitsteilung und Teams (ZEUS)
“Spokesperson”
“Physics Chair”
“Run Coordinator”
“wise men”
“conveners”
Aufteilung 1: Institute
(z.B. UHH)
Aufteilung 3: Physik-Gebiet
(z.B. QCD)
- Gutachter der (Diplom-)Arbeiten;
- oft mehrere Leute an einem Thema
- interne Diskussion
- Regelmaessige Treffen derer,
die auf einem Gebiet arbeiten;
- Interner Review-Prozess
“coordinators”
Aufteilung 2: Subdetektor
(z.B. Kalorimeter)
25. Januar 2005
- Oft quer durch die Institute.
- Jeder muss fuer das Experiment arbeiten.
- Hardware-Erfahrung
wichtig
TSS: ZEUS
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Betrieb des Detektors
Schichtarbeit
•
Rund um die Uhr 2-Mann-Schichten a 8 Stunden.
• Betrieb und Ueberwachung des Experiments (Safety!)
• Kommunikation
•
Fuer jede Detektorkomponente immer eine “on-call”-Person
in Rufbereitschaft (Doktoranden).
• Einfache Probleme
• Kalibration
• Ueberwachung der Datenqualitaet
•
Im Hintergrund ein Komponenten-Experte/Koordinator (Postdoc)
• ... Selber oft ueberfordert (Altern des Experiments …)
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TSS: ZEUS
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Elektron-Proton-Streuung
Das Proton – ein komplexes Objekt
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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Elektron-Proton-Streuung
Das Elektron als “Sonde”
neutral current - e
charged current - 
Ee = 27.5 GeV
k
k’(e±,)
Lepton (e±)
Q2: Viererimpuls-Transfer
[Auflösung ~1/Q]
,Z,W
Proton
Q2=-q2=-(k-k’)2
p=xP
y=Q2/sx: Inelastizität
[s=Schwerpunktsenergie]
P
x=Q2/2Pq: Anteil des Quarks
am Protonimpuls (Bjorken-x)
Ep = 920 GeV
[before 1998: 820 GeV]
25. Januar 2005
Photoproduktion: Q2 = 0 GeV2
Tiefunelastische Streuung (DIS):
Q2 > 0 GeV2.
TSS: ZEUS
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Dynamik im Proton unter der Lupe
Voll das Leben - Gluonen!
d 2
2
2
~

F
(
x
,
Q
)
2
2
4
dxdQ
xQ
Hohe Energie:
ep-Streuung ~ eq-Streuung!
F2 beschreibt dynamische
Struktur des Protons
Elektron
(Q2)
Q2: (Impulsübertrag)2 von e auf p
[~1/Q]
x
Proton
HERA: Ideales Labor
zur Untersuchung der
Partondynamik im Proton.
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[ QPM: F2(x) = eq2 xq(x) ]
TSS: ZEUS
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Elektron-Proton-Streuung
Verdeutlichung von x und Q2
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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Elektron-Proton-Streuung
Verdeutlichung von x und Q2
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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Ein typisches Ereignis in H1
dargestellt im “Event-Display”
Spurkammern
Gestreutes e±
H1-NC-DIS-Ereignis

Lepton
[Q2=4EeEe’cos2(/2)]
Proton
Struktur des Protons
EM und schwache WW
 QCD
 Neue Physik
Gestreutes Quark
Kalorimeter
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TSS: ZEUS
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Inklusive Messungen
… wofuer HERA gebaut wurde
Q2=4EeEe’cos2(/2)
y =1-Ee’sin2(/2)/Ee
x =Q2/sy
d 2
2
2
~

F
(
x
,
Q
)
2
2
4
dxdQ
xQ
Durch Messung des Streuwinkels und der Streuenergie
des Elektrons ist das Ereignis vollstaendig beschrieben!
 zaehle Elektronen als Funktion von Winkel und Energie
 Strukturfunktionen des Protons!
 Vergleich mit Theorie!
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TSS: ZEUS
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Die
Struktur
des
Protons
kleine x:
mittlere x:
Scaling!!!
[x: Impulsanteil des
Gestreuten Quarks
am Protonimpuls]
Feynman etc.: Punktfoermige Partonen
ohne Wechselwirkung!!!
grosse x:
Spannend:
- Beschreibt Theorie die Daten?
- Welche Präzision brauchen wir, um
am LHC Physik zu machen?
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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Die Protonstruktur – PDFs*
… etwas unanschaulich …
F2(x) = eq2 xq(x) (QPM)
Beachte den Unterschied
zwischen Valenz- und
Seequarks und Gluonen!
Die Angabe von (sinnvollen)
Fehlern ist noch sehr neu!
*PDF = parton distribution function
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TSS: ZEUS
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Elektroschwache Theorie
Erster Schritt zur “Unification”
Generell
(e-) > (e+)
[positiver (negativer) Beitrag
des Z0 in e-p (e+p)]
~
~
~
d 2  2 2
2

[Y F2  Y x F3  y FL ]
2
4
dxdQ
xQ
Q2 gross
(NC) = (CC)
[Elektroschwache Vereinheitlichung]
,Z,W?
Egal !!!!
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Alle Wirkungsquerschnitte von
der Theorie beschrieben!
TSS: ZEUS
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Elektroschwache Theorie
Erster Schritt zur “Unification”
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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Die starke Weckselwirkung: QCD
Die andere Kraft …
… die nächste Ordnung …
BGF: BosonGluon-Fusion
s!
QCD-C: QCDCompton-Events
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TSS: ZEUS
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Die starke Weckselwirkung: QCD
Die andere Kraft …
… die nächste Ordnung …
BGF: BosonGluon-Fusion
s!
QCD-C: QCDCompton-Events
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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Besonders nett: s
Ein (zum Glueck) universeller Parameter
s ist der fundamentale
Parameter der QCD (wie
EM im Falle der QED).
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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Physik schwerer Quarks I
Komplexer wegen hoher Massen!
“Open charm production”
x
Rest
K+
D0
s+
D*
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“Golden D* decay”
TSS: ZEUS
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Physik schwerer Quarks II
Beauty-Wirkungsquerschnitte nicht
verstanden?
Methoden: pT,rel,
Impakt-Parameter,
(stat. Trennung)
25. Januar 2005
Erstes Mal Daten durch
Theorie beschrieben?
TSS: ZEUS
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Physik schwerer Quarks III
b-Quark-Tagging: pt,rel
Der “Abstand” von Myonen aus b-Zerfaellen
zu “ihren” Jets ist wegen der Massen des b
groesser als der in Zerfaellen leichter Quarks.
‘X, Jet’
pt,rel
Myon
c
b Prozess: bcX
25. Januar 2005
TSS: ZEUS
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Physik schwerer Quarks VI
b-Quark-Tagging: “impact parameter d”
Wegen ihrer hohen Lebensdauer zerfallen weit vom Vertex entfernt
(Mikrometer). Nachweis mit Mikrovertexdetektoren!
Die negative Flanke der Verteilung wird fuer Aufloesungsstudien
verwendet und hilft, den Untergrund abzuschaetzen.
B-Zerfall
“d”
Vertex
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} “><0?”
Falsch gemessenes
Leichtquark-Ereignis!
TSS: ZEUS
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Die Suche nach neuer Physik
… noch ganz frisch: Pentaquarks uuddsKs0p+-p
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TSS: ZEUS
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Die Suche nach neuer Physik
… eigentlich das Interessanteste
Leptoquarks: eq  eq
RP-verletzende SUSY:
z.B. ed  gravitino
[Resonanzen in inv. Masse;
~high-Q2-DIS mit e+Jet]
Finden wir Physik jenseits
des Standard-Modells?
Neue Wechselwirkungen?
Zweifach geladene
Higgs-Bosonen:
e+ e-H++
[Ladungsvorzeichen des
Leptons wechselt; 3
Leptonen im Endzustand]
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TSS: ZEUS
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… und was sie so schwer macht!
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TSS: ZEUS
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… und was sie so schwer macht!
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TSS: ZEUS
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Abschluss
… und ein wenig zur ZEUS-Fuehrung
 Es ist unklar, ob der Zugang am 2.2. stattfindet
 HERA will noch mehr herumspielen, bevor es eine neue Pause gibt.
 Alternativer Termin Mitte Februar.
 Bitte in Liste einschreiben und unbedingt e-Mail angeben.
 Ich werde rechtzeitig Bescheid sagen.
 Naechste Woche findet keine Vorlesung mehr statt
 Wir bedanken uns fuer Ihre Aufmerksamkeit und hoffen auf
moeglichst detailliertes Feedback, damit wir unsere zahlreichen
Unzulaenglichkeiten beim naechsten Mal ausbuegeln koennen.
 Vielleicht treffen wir uns ja waehrend eines Praktikums oder
Ihrer Diplomarbeit bei ZEUS oder CMS wieder.
 Naechstes Semester: Vorlesung Teilchenphysik fuer
Fortgeschrittene (voraussichtlich Naroska / Schoerner).
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TSS: ZEUS
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