Vortrag - Server der Fachgruppe Physik der RWTH Aachen

V 1.1
Seminar WS 2006/07 RWTH
T.Hebbeker Juni 2006
Hadron-Kollider-Experimente
bei sehr hohen Energien
Erdmann, Feld, Hebbeker, Hoepfner, Kappler,
Klein, Kreß, Meyer, Pooth, Weber
ƒ Elementarteilchenphysik
ƒ Hadron-Kollider-Experimente
ƒ Seminarthemen
CERN
ƒ Organisation
www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/sem0607.html
T.Hebbeker Juni 2006
Heutiges Weltbild der Teilchenphysik
Materie: Spin ½ - Fermionen:
Leptonen:
Quarks:
Wechselwirkungen: Spin 1 – Eichbosonen:
Photon
γ
masselos
Z-Boson
Z
91 GeV
W-Boson
W+ W-
80 GeV
stark:
Gluon
g
masselos
Gravitation:
Graviton
G
masselos
elektroschwach:
?
Higgs ?
Teilchenphysik und Astrophysik
T.Hebbeker Juni 2006
Dunkle Materie =
Elementarteilchen ?
Teilchenbeschleuniger
untersuchen Prozesse
10 −10 s nach dem Urknall
Fundamentale Fragen
•
•
•
•
•
•
•
T.Hebbeker Juni 2006
Teilchenmassen ? Higgs-Boson ?
Gibt es Korrekturen zum Standardmodell ?
Ist die Natur „supersymmetrisch“ ?
Gibt es weitere Fermionen oder Eichbosonen ?
Verstehen wir die Gravitation ?
Dunkle Materie ?
...
Methoden der experimentellen Teilchenphysik
T.Hebbeker Juni 2006
Werkzeuge:
• Teilchenbeschleuniger
• Teilchendetektoren
• Unschärferelation: Ortsauflösung
~ 1/ E
• Studium der Kräfte bei hohen Energien
HOHE
• Neue schwere Teilchen (Masse m)
ENERGIE !
am besten erreichbar mit (Anti-)Proton-Beschleunigern
Tevatron pp 2.000 GeV
LHC pp 14.000 GeV
Hadron-Kollider-Experimente
T.Hebbeker Juni 2006
CERN
Fermilab
1987- 2009
Tevatron
2007 - 2020
LHC
(CDF, D0)
2 TeV
14 TeV
Paradigmen
wechsel !
(Atlas, CMS…)
Large Hadron Collider
Seminarthemen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
VORSCHLAG
Einführung: Teilchenbeschleuniger
Einführung: Teilchendetektoren
Einführung: Das Standardmodell der Teilchenphysik
Tevatron-Beschleuniger und Detektoren
LHC-Beschleuniger und Detektoren
Tests der elektroschwachen Wechselwirkung (γ,Z,W)
Untersuchungen zur starken Wechselwirkung (g)
Physik mit Bottom-Teilchen
Top-Quark-Physik
Wie erhalten Teilchen Masse? Das Higgs-Boson
Ist die Welt supersymmetrisch? Dunkle Materie ?
Extra-Raumdimensionen und schwarze Löcher ?
LHC-‘Computing‘
T.Hebbeker Juni 2006
Teilchenbeschleuniger
p
Injektion
p
T.Hebbeker Juni 2006
Teilchendetektoren
T.Hebbeker Juni 2006
Das Standardmodell der Teilchenphysik
T.Hebbeker Juni 2006
Materie: Spin ½ - Fermionen:
Leptonen:
Quarks:
Feynman
Wechselwirkungen: Spin 1 – Eichbosonen:
elektroschwach:
stark:
Photon
γ
masselos
Z-Boson
Z
91 GeV
W-Boson
W+ W-
80 GeV
Gluon
g
masselos
Die Tevatron-Experimente
CDF
Tevatron = TeV Beschleuniger
z.Zt. größter Beschleuniger
pp 2 TeV
CDF
T.Hebbeker Juni 2006
T.Hebbeker Juni 2006
Die LHC-Experimente
Atlas
Proton-Proton
s = 14 TeV
9 km
ElektroschwacheWechselwirkung:
W und Z Bosonen
T.Hebbeker Juni 2006
WÆeν
• Austauschteilchen der schwachen Kraft
• entdeckt am CERN 1983
W, Z
Genaue Massenmessungen:
Relationen im Standardmodell: Test !
ZÆμμ
T.Hebbeker Juni 2006
Starke Wechselwirkung (QCD)
Meson
Quarks tragen „Farbe“
=qq
Austauschteilchen = Gluon
Baryon = q
Isolierte Quarks gibt es nicht!
Beobachtbar sind nur „farbneutrale“
Kombinationen
Beispiel:
D0
Beobachtbar: Jets = Hadronbündel
qq
Gluon =Farbe+Antifarbe
Masse = 4.5 GeV
T.Hebbeker Juni 2006
Bottom-Physik
• Wirkungsquerschnitt
Detektor
• Lebensdauern (~ ps) ?
…
Flugstrecke ~ mm
• B0-Teilchen-Antiteilchen-Oszillationen:
μ− + X
μ +X
−
μ +X
+
Top !
Lebenszeit
Oszillationen sehr schnell
Æ gute Zeit/Orts-Auflösung !
T.Hebbeker Juni 2006
Top-Quark
Fermilab, 1995
CDF, D0
tt → bbqql ν
CDF
p p 1800 GeV
m ~ 175 GeV
Top = schwerstes bekanntes Elementarteilchen
Gleiches Verhalten wie leichte Quarks ?
Genau Massenmessung erlaubt Vorhersage des Higgsmassenbereichs
Das Higgs-Boson
Standardmodell verlangt:
Alle Teilchen sind masselos !
T.Hebbeker Juni 2006
Hauptziel
Des LHC !
Ausweg:
zusätzliches Teilchen:
Higgs: neutral, instabil, Masse unbekannt
bisher experimentell nicht gefunden:
M > 115 GeV
EXPERIMENTUM
CRUCIS
CMS
Supersymmetrie
Materieteilchen: Spin ½
T.Hebbeker Juni 2006
Austauschteilchen: Spin 1
Postulat: Es gibt eine „Supersymmetrie“ zwischen Fermionen und Bosonen:
Zu jedem Teilchen existiert Partner mit Spindifferenz ½
Beispiele:
Suchen
am
Tevatron
und am
LHC
Verbindung zur Astrophysik: Photino =„Neutralino“ = Dunkle Materie ?
Zusätzliche Raumdimensionen ?
T.Hebbeker Juni 2006
Graviton
3D
Idee: Gravitonen existieren in höherdimensionalem Raum
-> Gravitation erscheint schwach !
Mini-
jet
Schwarzes
Loch
unsichtbar
ATLAS
LHC-Computing
T.Hebbeker Juni 2006
Datenaufkommen gigantisch !
LHC-Detektor
11
10
Monte Carlo-Simulation
Teilchen /s
Minute/
Ereignis
/PC
500 GBit/s DAQ
Trigger
~ 100 Hz a 1 Mbyte
~ 50 Hz a 2 Mbyte
GRID
Weltweit vernetzte
Rechenzentren aus
insgesamt
Tausenden von PCs
Organisation
T.Hebbeker Juni 2006
•
Vorkenntnisse: „Elementarteilchenphysik“ hilft, aber nicht notwendig
•
Betreuung:
- Betreuer(in) wird nach Themenwahl zugeordnet
- Mehrere Termine: Anleitung/Diskussion/Probevortrag
•
Seminartermin: Dienstag 8:30, Physikzentrum Raum 26C201
•
Ablauf:
- Vortrag max 1 h + ca.15 min Diskussion
- Alle Beteiligten kommen zu allen Vorträgen !
•
Ausarbeitung: ca.10 Seiten Text, nach dem Vortrag anzufertigen
•
Infos:
www.physik.rwth-aachen.de/~hebbeker/lectures/sem0607.html
Seminarthemen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
VORSCHLAG
Einführung: Teilchenbeschleuniger
Einführung: Teilchendetektoren
Einführung: Das Standardmodell der Teilchenphysik
Tevatron-Beschleuniger und Detektoren
LHC-Beschleuniger und Detektoren
Tests der elektroschwachen Wechselwirkung (γ,Z,W)
Untersuchungen zur starken Wechselwirkung (g)
Physik mit Bottom-Teilchen
Top-Quark-Physik
Wie erhalten Teilchen Masse? Das Higgs-Boson
Ist die Welt supersymmetrisch? Dunkle Materie ?
Extra-Raumdimensionen und schwarze Löcher ?
LHC-‘Computing‘
T.Hebbeker Juni 2006
Seminarthemen
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
ENDGÜLTIG
Einführung: Teilchenbeschleuniger
Einführung: Teilchendetektoren
Einführung: Das Standardmodell der Teilchenphysik
Tevatron-Beschleuniger und Detektoren
a) LHC-Beschleuniger
b) LHC-Detektoren
Tests der elektroschwachen Wechselwirkung (γ,Z,W)
Untersuchungen zur starken Wechselwirkung (g)
Physik mit Bottom-Teilchen
Top-Quark-Physik
Wie erhalten Teilchen Masse? Das Higgs-Boson
Ist die Welt supersymmetrisch? Dunkle Materie ?
Extra-Raumdimensionen und schwarze Löcher ?
a) LHC-‘Computing‘ Teil A
b) LHC-‘Computing‘ Teil B
T.Hebbeker Juni 2006