Vortragsfolien

Higgs, B-Physik und Co.
– die ersten 4 Jahre Physik am LHC –
Michael Schmelling – MPI für Kernphysik
Einführung in die Teilchenphysik
Der LHC und das Higgs Teilchen
Physik mit schweren Mesonen
Zusammenfassung und Ausblick
Higgs, B-Physik und Co.
M. Schmelling, 29. November 2014
1
1. E INFÜHRUNG IN DIE T EILCHENPHYSIK
Ü Grundfragen
Was sind die die fundamentalen Bausteine der Welt?
Welche Kräfte wirken zwischen Ihnen?
“Erforschen was die Welt im Innersten zusammen hält”
“Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe,
nur scheinbar ist es süß oder bitter;
in Wirklichkeit gibt es nur Atome im
leeren Raum.”
Demokrit, ca. 400 v.Chr.
das Standardmodell der Teilchenphysik Ü
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2
Der Aufbau der Materie
Ü Hierarchie
von Strukturen
Atome sind sehr klein: : :
Anzahl Atome pro Sandkorn
Anzahl Sterne im Universum
Atomdurchmesser: “Haaresbreite” = 500,000 Atomdurchmesser
Atomkern: 100 000 mal kleiner als ein Atom
Quarks & Elektronen: mind. 1000 mal kleiner als ein Atomkern
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3
Geometrische Veranschaulichung
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4
Kräfte zwischen Elementarteilchen
Ü Kraftfelder
wirken durch Austauschteilchen
jede Kraft hat spezifische Austauschteilchen
Austauschteilchen übertragen
Ü Impuls
Ü Drehimpuls
Ü je nach Art des Teilchens auch Ladung
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5
Kräfte und Austauschteilchen
Gravitationskraft zwischen allem was Energie hat
Ü Austauschteilchen: Graviton
Ü zwischen Elementarteilchen vernachlässigbar
elektromagnetische Kraft zwischen elektrischen Ladungen
Ü Austauschteilchen: Photon
Ü z.B. elektrostatische Abstoßung gleicher Ladungen
starke Kraft zwischen Quarks
Ü Austauschteilchen: Gluon
Ü AtomKern-Bindung gegen elektrostatische Abstoßung
schwache Kraft zwischen allen Teilchen
Ü Austauschteilchen: W und Z Teilchen
Ü kurzreichweitige Kraft
Ü kann Teilchen ineinander umwandeln, z.B. Beta-Zerfall
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Quarks und Leptonen
Ü zwei
Klassen fundamentaler Elementarteilchen
Quarks: spüren die starke Kraft
Ü 3 Quarks mit elektrischer Ladung 2=3:
Ü 3 Quarks mit elektrischer Ladung 1=3:
v Quarks sind die Bausteine der “Hadronen”
+
Leptonen: spüren die starke Kraft NICHT
Ü 3 elektrisch neutrale Leptonen (Neutrinos):
Ü 3 Leptonen mit elektrischer Ladung 1:
v es folgt: Elektronen werden nur durch die
elektromagnetische Kraft an den Atomkern gebunden
Alle bekannten Elementarteilchen sind entweder
Leptonen (fundamental) oder aus Quarks zusammengesetzt.
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Antimaterie
Ü zu
jedem Quark/Lepton gibt es ein Antiteilchen mit : : :
gleicher Masse
gleichem Eigendrehimpuls
entgegengesetzter Ladung
1931: Dirac – Vorhersage aus relativistischer Quantenmechanik
1932: Anderson – erster Nachweis des Positrons, e +
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Über 1000 subatomare Teilchen : : :
fundamentale Leptonen oder Antileptonen
zusammengesetzte Teilchen aus 3 Quarks (Baryonen)
zusammengesetzte Teilchen aus 3 Antiquarks (Antibaryonen)
zusammengesetzte Teilchen aus 1 Quark & 1 Antiquark (Mesonen)
unsere Welt:
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Masse und das Higgs-Teilchen
Ü Brout-Englert-Guralnik-Hagen-Higgs-Kibble:
der Raum ist erfüllt von einem Feld die Elementarteilchen spüren das Feld
die Stärke der Wechselwirkung wird als Masse wahrgenommen
v Analogie:
+ Der Raum ist mit einem Medium, Luft, gefüllt
+ Teilchen sind Objekte die den Luftwiderstand spüren
+ der cw -Wert der Teilchen entspricht ihrer Masse
Ü Peter
Higgs:
wenn das Feld existiert, dann kann es angeregt werden
diese Anregung ist ein neues Teilen: das Higgs-Teilchen H
v Analogie?
+ Schallwellen
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Wer es ganz genau wissen will: : :
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Das Periodensystem der Teilchenphysik
v vor LHC:
Bis auf das Higgs-Teilchen
sind alle Teilchen des
Standardmodell bekannt.
v LHC:
Kläre die Frage, ob der
Higgs- Mechanismus zur
Erzeugung der Massen der
Elementarteilchen in der
Natur realisiert ist.
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2. D ER LHC UND DAS H IGGS T EILCHEN
LHC
SPS
CERN Meyrin - PS
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Schematische Darstellung
Saskatchewan Highway 14
ca. 27 km Umfang, 100 m unter der Erde
4 große Experimente
2 gegenläufige Strahlen, je ca. 3000 Protonen-Pakete
bis zu 40 Millionen Kollisionen von Protonen-Paketen pro Sekunde
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Blick in den Tunnel
1232 supraleitende Dipole
Ü 100 000 mal stärker als Erdmagnetfeld
Ü Strahlrohre kälter als der Weltraum
Ü geringerer Druck als auf dem Mond
Ü 1 ng Protonen pro Ring
Ü 100 kWh Energie
Die Maximalenergie pro Teilchen entspricht einer
Beschleunigungsspannung von 7000 Milliarden Volt!
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Proton-Proton Kollisionen im LHC
Ü
E
= m c2
in Aktion
+ Bewegungsenergie Ü neue Teilchen
+ alle Teilchen können erzeugt und untersucht werden
(vorausgesetzt sie sind nicht zu schwer : : :)
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Der ATLAS Detektor am LHC
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Der LHCb Detektor
möglichst vollständige Rekonstruktion von Proton-Proton-Kollisionen
Ü Impuls, Energie und Masse der erzeugten Teilchen
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Der LHCb Detektor
v 20 m lang, 10 m hoch
v Messgenauigkeit 20 m
v 1.1 Millionen Sensor-Kanäle
v 40 Millionen Messungen/s
v Daten: 1 Milliarde Telefonate
Nachweis geladener Teilchen
durch Ionisationsspuren
Impuls- und Ladungsmessung
durch Ablenkung im Magnetfeld
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Methoden der Teilchenphysik
Ü wie
studiert man Elementarteilchen?
Erinnerung an Atomphysik: Untersuchung von Spektrallinien
angeregtes Atom
!
Atom
+
Ü jede Spektrallinie ist charakteristisch für ein (angeregtes) Atom
Ü Anregung z.B. durch Hitze oder elektromagnetische Felder
Ü Information über Struktur von Atomen und Molekülen
Teilchenphysik: gleiches Grundprinzip, aber : : :
Ü wesentlich höhere Energien
Ü direkte Erzeugung der angeregten Zustände z.B. im LHC
Ü wesentlich mehr Zerfallsmoden z.B.
angeregtes Hadron
oder: Teilchen
oder: Teilchen
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!
!
!
Hadron
+
+ + +
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Beispiel
Atomphysik versus Teilchenphysik
Cadmium Spektrum
X ! + Events / GeV
Ü Vergleich:
106
η
ρ,ω
φ
J/ψ
105
ψ'
Υ
104
Z
103
102
10
1
CMS
s = 7 TeV
Lint = 40 pb -1
1
jede Linie entspricht einem
angeregten Cd-Zustand
10
102
Dimuon mass (GeV/c2 )
jede Linie entspricht einem
bekannten Elementarteilchen
Unterschied in Energieskalen: 10 Milliarden
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Der Nachweis des Higgs-Teilchens
Ü die
Suche nach der Nadel im Heuhaufen
die genaue Masse bei der man suchen muss ist nicht bekannt
das Higgs-Teilchen ist mindestens 120 mal schwerer als ein Proton
Ü brauche eine Beschleuniger mit hoher Energie
die Produktionswahrscheinlichkeit ist sehr klein
Ü brauche hohe Strahlintensität
nur wenige Zerfallsmoden sind gut vom Untergrund separierbar
Ü brauche einen sehr guten Detektor
Ü Entdeckung in:
H
! Resultate Ü
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Higgs-Nachweis von ATLAS und CMS
Higgs-Teilchen zweifelsfrei nachgewiesen
der Werte der Masse hat interessante Implikationen:
Ü das Standardmodell gilt eventuell bis zu sehr hohen Energien
Ü das Universum ist vielleicht nur meta-stabil : : :
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3. P HYSIK MIT SCHWEREN M ESONEN
Ü Zwischenbilanz
der Higgs-Mechanismus : : :
Ü erklärt wie die Teilchen Masse bekommen
Ü lässt offen welche Massen die Teilchen haben
Gravitation wird vom Standardmodell nicht erfasst
das Standardmodell erklärt nicht warum es : : :
Ü drei Generationen gibt
Ü gleich viele Generationen von Quarks und Leptonen gibt
Ü neben der Gravitation drei weitere Kräfte gibt
weitere Fragen
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Woraus besteht die Dunkle Materie
Ü kosmische
Hintergrundstrahlung & Strukturformation:
Energieinhalt des Universums:
Ü 4.9% normale Materie (kennen wir)
Ü 26.8% dunkle Materie (schwere Teilchen?)
Ü 68.3% dunkle Energie (???)
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Wo ist die Antimaterie?
Ü das
Problem
(kleine Mengen) Antimaterie werden am Beschleuniger beobachtet
immer gleiche Mengen von Materie und Antimaterie erzeugt
die gleichen Prozesse gab es im frühen Universum, aber
keine Hinweise auf nennenswerte Mengen Antimaterie im Universum
4 keine Hinweise auf Vernichtungsstrahlung
4 keine Hinweise auf Anti-Kerne in der kosmischen Strahlung
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Untersuchung dieser Fragen
Ü direkte
Suche nach neuen Teilchen
Strategie von ATLAS und CMS
Ü Ansatz: nutze die hohe Energie des Beschleunigers
Ü Schwierigkeit: sehr viele Möglichkeiten
Ü Vorteil: direkte Messung der Eigenschaften
Ü indirekte
Suche nach neuen Teilchen
Strategie von LHCb
Ü Ansatz: Überprüfung präziser Vorhersagen
Ü Vorteil: klare Fragestellung
Ü Schwierigkeit: Interpretation der Messung
4 Abweichungen können verschiedene Ursachen haben: : :
4 viele Resultate liefern wieder ein konsistentes Bild
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B-Mesonen
Ü schweres
b-Quark mit leichtem u-, d-, oder s-Quark
B−Meson
Anti−B−Meson
anti
b−quark
b−quark
Ü relativ einfache Wasserstoffartige Systeme
Ü nutze die hohe Produktionsrate des LHC für B-Mesonen
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Teilchen-Antiteilchen Oszillationen
Ü Veranschaulichung
durch “Feynman-Diagramm”
t
s
Bs0
b
W−
b̄
W+
0
Bs
s̄
t̄
Umwandlung eines Teilchens in sein Antiteilchen – und zurück!
Ü Oszillation der Teilchenmasse zwischen Materie und Antimaterie
Ü sensitiv auf Unterschiede von Materie und Antimaterie
Ü sensitiv auf neue, bislang unbekannte schwere Teilchen, z.B.
4 Standardmodell: W -Teilchen
4 neue Theorie: zusätzlich H -Teilchen
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Resultat
Ü erstmalige
direkte Beobachtung der Oszillation
v Oszillationsfrequenz ca. 3000 GHz
v konsistent mit dem im Standardmodell erwarteten Wert
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Seltene Zerfälle
Ü Beispiel:
der Zerfall Bs
! +
W−
s
Bs0
ν
t
b̄
µ−
W+
µ+
im Standardmodell sehr seltener Zerfall
Ü von 1 Milliarde B-Mesonen zerfallen nur 3 in Muon-Paare
Ü neue Teilchen könnten wie Katalysatoren für den Zerfall wirken: : :
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Resultat
Ü erstmalige
Beobachtung des Zerfalls!
v Zerfallsrate konsistent mit dem Standardmodell-Wert
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4. Z USAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Ü Stand
der Teilchenphysik nach LHC-Run 1
es gibt das Higgs-Teilchen
Ü Eigenschaften wie im Standardmodell erwartet
Ü das WIE der Ursprungs der Masse ist verstanden
Ü das WIEVIEL ist nach wie vor offen
alle Messungen sind verträglich mit dem Standardmodell!
Ü keine Kandidaten für dunkle Materie
Ü keine Abweichungen in Teilchen-Antiteilchen Oszillationen
Ü keine Abweichungen bei seltenen Zerfällen
gespannt auf LHC Run 2: : :
Ü entweder Indizien wie es weiter geht, oder
Ü Notwendigkeit neuer Ideen: : :
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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