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Sebastian Reinicke
Seminar Astro- und Teilchenphysik
WS 2008/09
Inhalt
 Experimente am LHC
 Alice
 LHCb
 Atlas
 CMS
 Higgs-Mechanismus
 Erwartete Produktion am LHC
 Erwartete Beobachtungen beim ATLAS/CMS
LHC – Large Hadron Collider
 Umfang 27km
CMS
 ~ 9600 Magnete
 pp Collider 7TeV /Beam
 Pb-Pb Collider 575TeV /Beam
 600 Millionen Kollisionen /s
LHCb
Alise
Atlas
 11245 Umläufe /s
 1,1 * 10^11 p / Bunch
 Lum. =10 nb^-1
Alice – A Large Ion Collider Exp.
Ziel:
 Erzeugung von Quark-Gluon-Plasma durch Kollision von p und Schwerionen
 Im QGP sind Quarks frei – normal gebunden (duo Meson, trio Baryon)
 Erforschen was die Quarks zusammen hält (QCD)
26m lang, 16m breit
16m hoch
10000t
LHCb – LHC Beauty
Ziel:
 Teilchen mit b-Quarks erforschen
 Interressieren sich vorallem für
bestimmte Erhaltungssätze und
die CP-Verletzung (C-charge, Pparity)
21m lang, 13m breit
10m hoch
5600t
Atlas – A Toroidal LHC ApparturS
Ziel:
 Nachweis des
Higgs-Bosons
 Nachweis der
Supersymmetrie
46m lang,
25m Durchmesser
7000t
CMS – Compact Muon Solenoid
Ziel:
 Wie ATLAS
21m lang
15m Durchmesser
12500t
Aufbau des CMS Detektors
LHC und Experimente
Higgs Mechanismus
 Frage: Warum haben die Elemetarteilchen
unterschiedliche Massen?
 1964 Peter Higgs postuliert skalares Hintergundfeld
 Higgsfeld
Widerstand für Teilchen
Trägheit
Masse
 Kopplung über Higgs-Bosonen
Higgs-Comic
sich leise unterhaltende
Physiker füllen den Raum
Higgshintergrundfeld
berühmter Physiker betritt berühmter Physiker wird
den Raum, jeder will sich
beim durchqueren des
mit ihm unterhalten
Raumes behindert
Warum ist das Higgs so wichtig?
 einfachste bekannte und experimentell konsistenteste




Erklärung für die Masse der Eichbosonen
Grundlegende Theorie erfordert Masselose Eichbosonen
da sie sonst math. nicht Lösbar ist
W- und Z- Bosonen haben große Massen
Vereinheitlichung von elektromagnetischer und
schwacher WW
experimentelle Bestätigung vieler Eigenschaften
Standardmodell gilt als gut abgesichert
Theoretische Berechnungen
Standardmodell muss modifiziert werden
Eichtheorie
spontane
Symmetriebrechung
Modifizierung des SM
 Einführung eines komplexen selbstwechselwirkenden
Potentials:
 global Eichinvariant mit
erfüllt
 für
Grundzustand
 Erwartungswert im Vakuum
 Wellengleichung:
 Beschreibt freies Teilchen der Masse
 Feld
wird Antiteilchen zugeordnet
Modifizierung des SM
 spontane SB wenn
 Erwartungswert
mit
 System muss sich entscheiden
 unendlich viele
Grundzustände z.B.:
Modifizierung des SM
 Eichsymmetrie im Grundzustand nicht realisiert
 Ableitung der Wellengleichung ergibt 2 Teilchen
 Goldstoneboson mit Masse 0
 und Higgs-Boson mit Masse
 Einführung der lokalen Eichtransformation
 im GSW-Modell wird der WW masseloser W-Bosonen
und Fermionen V zugefügt
 Ф jetzt komplexes Isoduplett
vier reelle Felder
Modifizierung des SM
 Rechnung ergab Teilchenspektrum von drei
Vektorbosonen:
 und Higgs-Boson:
was fehlt ist das Higgs-Boson
Suche nach dem Higgs-Boson
Bekannt:






wird benötigt um Masse der Teilchen zu erklären
keine Ladung
ganzahligen Spin 0
Skalarboson
mH > 112GeV bestätigt durch Messungen am LEP
theoretische Obergrenze von 1TeV
Massenabschätzung Fermilab (2006): 117GeV < mH < 153GeV
(Messung der W-Bosonen-Masse)
Erzeugung der Higgs-Bosonen
 Gluonfusion
 Vektorbosonenfusion
 tt-Fusion
Quarks ergeben zwei Jets
Event
reduzierung des Hintergrundes
Wirkungsquerschnitt für Higgs
Produktion
 wird von Gluon-Gluon-
Fusion dominiert
 zweit stärkster Anteil ist
Vektorbosonenfusion
Zerfallskanäle für unterschiedliche
H-Massen
 Masse > 150GeV:
Vektor-Bosonen
dominieren
 Masse < 150GeV
domineren,
auch PhotonLeptonendzustände
Erwartete Detektion am ALTAS
 Linien = detektierbar
 Rest mit Neutrinos =
nicht direkt
detektierbar

einige
hunderte bis 150GeV
 Bester Kanal
 schächer aber
komplettes Spektrum
CMS – Simulationen von Zerfällen
bei verschiedener H-Masse
80-140 GeV
130-700GeV
0,5-1 TeV
Signifikanz & Signale
 Ziel der Detektoren ATLAS und CMS - Sicherstellung das
Higgs endeckt werden kann (100GeV-1TeV)
 Signalsignifikanz:

bestätigte Endeckung
 2 hochpräzise
Endeckungskanäle
 z.B. 120GeV Higgs in CMS
(im Signalbereich)
Signale
 Sehr klares Signal bei
(ATLAS)
 geringere Produktionsrate
 effektive Hintergrundunterdrückung

Paar nur Nachweisbar bei ttFusion
Signale
 Ziel ist somit theoretisch erreicht
 Higgs-Boson wird falls es exisitiert in dem Bereich von
100GeV-1TeV endeckt werden
Quellen
 Springer-Lehrbuch, Teilchen und Kerne
 The European Physical Journal C - Particles and Fields
 http://public.web.cern.ch/public/
 http://atlas.ch/
 http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-
cmsinfo/index.htm
 http://jaxodraw.sourceforge.net/
ENDE