LHC_MarkusKern

Das LHC-Experiment
Markus Kern
HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik
WS 2008/09
Large Hadron Collider
Inhalt
• Ein kurzer Überblick über den LHC
• Die Physik am LHC
– Die Suche nach dem Higgsboson
– Supersymmetrie
• Der CMS-Detektor im Detail
Large Hadron Collider
Der Large Hadron Collider
Large Hadron Collider
Der LHC im Überblick
•
•
•
•
27 km Umfang
100 m unter der Erde
7 TeV pro Protonenstrahl
Beschleunigung der p auf
99,9999991% von c
• LHCb: Untersuchung der
CP Verletzung in BMesonensystemen
• ALICE: Erzeugung und
Untersuchung eines
Quark-Gluonen-Plasmas
Large Hadron Collider
Beschleunigerrohr
•
•
•
•
15 m Länge
35 t Gewicht
über 1000 Stück
Nb-Ti-Legierung
supraleitend unter 10K
• Magnetfeld von 8,33 T
bei 1,9 K
• 11 700 A notwendig
zum Aufbau des
Magnetfelds
Large Hadron Collider
Stillstand des LHC
• Magnettest Sektor 3-4
• Defekte elektrische
Verbindung
• Lokale Erwärmung
• Supraleitung geht
verloren
• Schäden an Kabeln,
Rohren und Magneten
• Heliumaustritt
• Wiederinbetriebnahme
voraussichtlich Juli 2009
Large Hadron Collider
Das Standardmodell
• Das Standardmodell ist eine Eichtheorie, die auf der
Eichgruppe SU(3)Cx SU(2)W x U(1)Y beruht.
• Eichprinzip: Die Invarianz einer Gleichung, unter lokalen
(ortsabhängigen) Phasentransformationen, erfordert die
Existenz eines Vektorfeldes, das mittransformiert wird.
• Bsp: Lokale Transformationen bzgl. SU(3)C führen zur
Existenz der Gluonenfelder.
• Eichprinzip setzt masselose Teilchen voraus.
• Experimente zeigen W‘s und Z haben Masse.
• Higgsmechanismus rettet Eichprinzip durch Einführung
des Higgsfelds und des Higgsbosons.
Large Hadron Collider
Higgsproduktion
Large Hadron Collider
Wirkungsquerschnitte
Large Hadron Collider
Higgszerfall
Large Hadron Collider
Higgszerfall II
Large Hadron Collider
Probleme des Standardmodells
• Das Eichproblem: Warum gibt es 3 unabhängige
Eichgruppen? Ist nur eine Eichgruppe möglich?
• Das Parameterproblem: Es gibt mindestens 18 freie
Parameter im SM. Können sie reduziert werden?
• Das Ladungsproblem: Warum sind die el. Ladungen von
Elektron und Proton genau entgegengesetzt?
• Das Hierarchieproblem: Warum ist die schwache Skala
so klein verglichen mit der GUT-Skala?
• Das Fine-Tuning-Problem: Strahlungskorrekturen zur
Higgsmasse sind viele Größenordnungen größer als die
Masse selbst, daher müssen die Parameter des
Higgspotentials unnatürlich fine-getunt werden.
Large Hadron Collider
Supersymmetrie
• Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen
• SUSY Partner von Fermionen erhalten ein
vorangestelltes „s“
• Bei Bosonen ersetzt man die Endung „on“ durch
„ino“ oder hängt ein „ino“ an
• Perfekte Symmetrie erfordert identische Particleund Sparticlemassen
• Bisher keine Sparticles gefunden
 SUSY ist eine gebrochene Symmetrie
Large Hadron Collider
Lösung des Eichproblems
• Supersymmetrisches Modell erlaubt die Vereinigung der
WW bei hohen Energien
• Im SM nicht möglich, da kein gemeinsamer Schnittpunkt
vorhanden
Large Hadron Collider
Lösung des Fine-Tuning-Problems
• Strahlungskorrekturen enthalten nun auch
Superpartner, diese unterscheiden sich nur durch
das Vorzeichen
 Korrekturen heben sich gegenseitig auf
Large Hadron Collider
MSSM
• Das MSSM ist die kleinstmögliche Erweiterung des SM
zu einem supersymmetrischen Modell
• Existenz einer neuen multiplikativen Quantenzahl
„R-Parität“, Erhaltungsgröße im MSSM
R   1
3 B L  2S
• SM-Teilchen: R=+1
• Konsequenzen:
SUSY-Teilchen: R=-1
– Das LSP ist stabil und damit ein Kandidat für dunkle Materie
– Sparticles können nur paarweise erzeugt werden
– Jedes schwerere Sparticle zerfällt in eine ungerade Anzahl von
LSPs
Large Hadron Collider
Nachweis eines SUSY Ereignisses
• Zerfallskette der Sparticles
endet mit den LSPs, die
mit dem leichtesten
Neutralino identifiziert
werden
• Ohne WW mit normaler
Materie können LSPs aus
dem Detektor entkommen
• Nachweismöglichkeit
durch fehlende Energie
Large Hadron Collider
Der CMS-Detektor
Large Hadron Collider
Teilchenspuren im Detektor
Large Hadron Collider
Pixeldetektor
• 65 Millionen Pixel
• 3 zylindrische Schichten mit 4cm, 7cm und 10cm
Abstand zum Teilchenstrahl
• Teilchen erzeugen beim Durchfliegen
Elektronen-Loch-Paare
 elektrische Signale
Large Hadron Collider
Streifendetektor
• 10 Lagen Siliziumstreifendetektoren
• Fläche über 200m2
• Unterschiedliche Ausrichtung der Streifen erlaubt 3D
Rekonstruktion der Teilchenspur
Large Hadron Collider
Karlsruher Beteiligung
• 8000 Sensoren wurden
mit 2 selbstentwickelten
automatischen
Probestationen überprüft
• Über 100 Petals wurden
gebaut
• Jedes Petal enthält
ca. 20 Module mit
ca. 16000 Streifen
Large Hadron Collider
ECAL
•
•
•
•
Szintillationskalorimeter
Besteht aus fast 80 000 PbWO4 Kristallen.
Kurze Strahlungslänge: X0=0,89cm
Schnelle Reaktionszeit: 80% des Lichts werden in 25ns
emittiert
• Geringe Lichtausbeute: 30γ/MeV
Large Hadron Collider
HCAL
• Die Absorber bestehen aus Messingplatten
• Hohe Dicke des Absorbers notwendig, da Hadronen ihre
Energie hauptsächlich durch starke WW mit den Kernen
verlieren
• Die Detektoren sind Plastikszintillatoren bzw.
Quarzfasern
• Schauerbildung komplizierter als im ECAL, da
verschiedenste Sekundärteilchen entstehen können
Large Hadron Collider
Solenoid
Der CMS Magnet
–
–
–
–
ist der größte supraleitende Magnet, der je gebaut wurde
wiegt 12 000 Tonnen
ist 100 000 mal stärker als das Erdmagnetfeld
hat genug Energie um 18 Tonnen Gold zu schmelzen
Large Hadron Collider
Der Myonendetektor
• Verschiedene mit Gas gefüllte Driftkammern
angepasst an die Myonenrate
• Durchgehende Myonen ionisieren das Gas
• Elektronen driften zu positiv geladenen Drähten
• Ort des Durchgangs lässt sich durch Messung der
Driftzeit berechnen
Large Hadron Collider
Quellenverzeichnis
Peter Schmüser: Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker. Berlin,
Heidelberg 1995.
Rabindra N. Mohapatra: Unification and Supersymmetry. The Frontiers of Quark-Lepton
Physics. New York, Berlin, Heidelberg 2003.
David Griffiths: Introduction to Elementary Particles. Weinheim 2008.
W. de Boer, A. Sopczak, S. Kappler: Experimentelle Teilchenphysik. Karlsruhe 1999.
W. de Boer: Grand Unified Theories and Supersymmetry in Particle Physics and
Cosmology. hep-ph/9402266.
Stephen P. Martin: A Supersymmetry Primer. hep-ph/9709356.
Gianfranco Bertone, Dan Hooper, Joseph Silk: Particle dark matter: evidence, candidates
and constraints. In: Physics Reports 405 (2005) 279–390.
Gunnar Klämke: Higgs plus 2 Jet Produktion in Gluonfusion. Karlsruhe 2008.
D. Acosta, A. De Roeck, U. Gasparini u. a.: CMS Physics, Technical Design Report,
Volume I: Detector Performance and Software. CERN 2006.
A. De Roeck, M. Grünwald, J. Mnich u. a.: CMS Physics, Technical Design Report,
Volume II: Physics Performance. CERN 2006.
http://public.web.cern.ch/public/
http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/index.html
Large Hadron Collider
Quellenverzeichnis II
Die Zahlen in eckigen Klammern geben die Foliennummer an.
[3] http://media.arstechnica.com/news.media/LHC.jpg
[4] http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/history/historypictures/LHCdrawing-half.jpg
[5] http://mediaarchive.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/1999
/9906025/9906025_01/9906025_01-A5-at-72-dpi.jpg
[6] http://static.guim.co.uk/Guardian/news/gallery/2007/aug/06/internationalnews/0606
026_01-179.jpg
[8] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_prod_graphs_new.jpg
[9] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_prod_xs.jpg
[10]http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_bratio.jpg
[11]oben links http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-projectcmsinfo/Resources/Website/Physics/Higgs/100GeV.jpg
unten links https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr2-figs/images/Figure_%20CP001.jpg
oben rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-projectcmsinfo/Resources/Website/Physics/Higgs/150GeV_1.jpg
unten rechts https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr2-figs/images/Figure_%20CP003.jpg
[14] http://www.physik.uzh.ch/~kmueller/text/vorlesung/susy/img34.gif
[15] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/68/Hqmc-vector.svg/300pxHqmc-vector.svg.png
Large Hadron Collider
Quellenverzeichnis III
[17] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-projectcmsinfo/Resources/Website/Physics/SUSY/Susy_2.jpg
[18] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/af/CMScollaborationPoster.png
[19] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-projectcmsinfo/Resources/Website/Media/Videos/Animations/files/CMS_Slice.gif
[20] links http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/siliziumdetektor.jpg
rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/
Resources/Website/Detector/Tracker/Pixelement.gif
[21] links http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-projectcmsinfo/Resources/Website/Detector/Tracker/Barrel.gif
rechts https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr1-figs/Figures/Figure_001-009.jpg
[22] oben http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/silizium_sensor.jpg
unten http://www-ekp.physik.unikarlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/petalproduktion3.jpg
[23] links http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~jwagner/SS08
/talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 31
rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-projectcmsinfo/Resources/Website/Media/Images/Gallery/ECAL/EB/HighRes/oreach-2001-001.jpg
[24] http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~jwagner/SS08/talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 32
[25] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-projectcmsinfo/Resources/Website/Detector/Magnet/0509015_14-A4-at-144-dpi_thumb.jpg
[26] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/
Website/Detector/Muons/DT.gif
Large Hadron Collider