Vorlesung4_nov2002

f
Meilensteine der Teilchenphysik
l = h/p
Energie
T @ t-1/2
10-10 m
 10 eV
> 3.105 a
Ab ca. 1900
Quantenmechanik,
Atomphysik
Ca. 1940 … 1950
Quantenelektrodynamik
10-15 m
MeV-GeV @ 3 min
10-16 m
>> GeV
@ 10-6 s
10-18 m @ 100 GeV @ 10-10 s
Ca. 1950 … 1965
Kerne, Hadronen, Symmetrien,
Feldtheorien
Ca. 1965 … 1975
Quarkmodell, Eichtheorien
Ca. 1970 … 1983
Quantenchromodynamik,
elektroschwache Vereinigung - (UA1, UA2)
W/Z am SppS
f
Meilensteine der Teilchenphysik
ne
e
nm
m
nt
t
u
d
c
s
b
t
3 Farben / Quark R
G
B
6 Leptonen
6 Quarks
10-19 m
@ 1 TeV
@
10-12
s
LEP 1990
3 Familien
Tevatron (CDF, D0) 1994
Top-Quark
Superkamiokande et al. 1998
Neutrino-Oszillationen
Tevatron (DONUT) 2000
t-Neutrino
CERN 2000
Quark-Gluon-Plasma
CERN-LHC ab 2007
Higgs, SUSY, …?
10-32 m @ 1016 GeV
@ 10-32 s
Grand Unification …?
10-35 m @ 1019 GeV
@ 10-43 s
Superunification, Quantengravitation,..?
f
Offene Fragen der Teilchenphysik
Ursprung und Hierarchie der Teilchenmassen
Gibt es ein Higgs-Teilchen und was ist seine Masse?
Wie muß das Standardmodell erweitert werden?
Supersymmetrie, Grand Unified Theories, …
Gibt es eine Substruktur von Quarks und Leptonen?
Gibt es mehr als drei leichte Generationen?
Gibt es schwere Neutrinos?
Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie
Stabilität des Protons
Woraus besteht die dunkle Materie des Kosmos?
Ursprung des quantenchromodynamischen Confinement
Quark-Gluon-Plasma
Wie kann die Gravitation eingebunden werden?
Livingston-Diagramm
Die sukzessive Erhöhung der Strahlenergie beruht auf Fortschritten in der
Beschleunigertechnologie. Supraleitende Magneten ermöglichen ProtonProton-Kollisionen mit Schwerpunktsenergie √s = 14 TeV am LHC.
Parameter des Large Hadron Collider
Pakete
Parton
Proton- Proton
Umfang: 27 km
Teilchenpakete: 3564 + 3564
Protonen / Paket: 1011
Strahlenergie: 2 x 7 TeV
Luminosität: 1034 cm-2s-1
Strahlkreuzungsintervall: 25 ns
Kollisionsrate: 107 … 109 Hz
Flußdichte der Dipolmagneten: 8.4 T
Anzahl der Dipolmagneten: ca. 1200
Schwerionen (Pb-Pb, S-S, etc.)
Strahlenergie:
bis zu 5.5 TeV/Nukleonenpaar
Luminosität:
1027 cm-2s-1 für Blei
3.1031 cm-2s-1 für Sauerstoff
Strahlkreuzungsintervall: 125 ns
Wirkungsquerschnitte
Wirkungsquerschnitte für
verschiedene Prozesse variieren
über viele Größenordnungen
• inelastisch:
• W -> lv:
• tt:
• Higgs (100 GeV):
• Higgs (600 GeV):
109 Hz
100 Hz
10 Hz
0,1 Hz
0,01 Hz
Erforderliche Selektivität
1 : 10 10 - 11
LHC-Beschleunigertechnologie
String-Test für Dipolmagnete
LHC-Beschleunigertechnologie
Supraleitende Hochfrequenzkavität
Zielsetzungen der LHC-Experimente
Standardmodell-Physik
QCD, elektroschwache Theorie (Higgs, W, Z, Top, Jets, …)
Supersymmetrie
SUSY-Higgsbosonen, andere supersymmetrische Teilchen, ...
Andere Erweiterungen des Standardmodells
Compositeness, Technicolor, Leptoquarks,
neue schwere Vektorbosonen, ...
B-Physik
CP-Verletzung, B0-B0 Oszillationen, seltene B-Zerfälle, ...
Schwerionenphysik
Quark-Gluon-Plasma
Physik bei kleinen Winkeln
stotal, elastische Streuung, Diffraktion
Neue Phänomene
Experimente am LHC
TOTEM
Experimentelle Herausforderungen
Pile-up
stot @ 100 mb, hohe Luminosität -> bis zu 25 p-p-Kollisionen
pro Strahlkreuzung, 1000 geladene Teilchen in |h| < 2.5
Konsequenzen für Detektoren:
Kleine Signalantwortzeiten (typisch 25 bis 50 ns)
Hohe Granularität (> 108 Kanäle)
Hohe Strahlungsfestigkeit (Fluß 1017 Neutronen/cm2,
Dosisleistung bis zu 107 Gy nach 10 Jahren Betrieb) in
Strahlnähe
QCD-Untergrund
Rate dominiert durch Jet-Produktion (qq -> qq, gg -> qq
etc.), daher i.a. in der Praxis nur Zerfälle mit Leptonen und
Photonen verwendbar. Ereignisrate daher klein.
Wo ist das Higgs?
18 überlagerte p-p-Kollisionen im inneren Teil des CMS-Trackers, darunter
4 Müonspuren von einem Higgszerfall
Hier!
Transversalimpulsschnitt von pT > 2 GeV nach Spurrekonstruktion
Neutronenfluß in CMS
Neutronen pro cm2 für 5 x 10 pb-1
Dosisleistung in CMS
Dosisleistung in Gy für 5 x 10 pb-1
Typischer Detektoraufbau
Schwere Materalien
(Eisen oder Kupfer + aktives Material)
Materalien mit hoher Protonenzahl + aktives Material
Schwere Materalien
Müondetektoren
•Müonidentifikation
•Impulsmessung
Elektromagnetische und
hadronische Kalorimeter
•Teilchenidentifikation
(e, g, Jets, fehlendes ET)
•Energiemessung
Leichte Materalien
Zentraldetektor
•Spuren
•Impulsmessung
•Vektor zu elektromagnetischen Schauern
•Vertices
Magnetkonfigurationen
Die Magnetkonfiguration bestimmt die Charakteristik eines
LHC-Experiments.
ATLAS
A Toroidal LHC Apparatus
CMS
Compact Muon Solenoid
ATLAS-Toroide
Prototyp eines Barrel-Toroids
(Spitzenflußdichte 3.9 Tesla)
CMS-Solenoid
Größtes Solenoid der Welt
4 Tesla maximale Flußdichte
2.5 GJ gespeicherte Energie
Modellmaschine zur Herstellung der Spule
Magnetjoch
ATLAS-Detektor
CMS-Detektor
CMS-Detektor
Detektoren in ATLAS und CMS
ATLAS
Magnete
Toroide und zen trales Solenoid (2T)
4 Magneten
Spurendetektor Silizium (Pixel- und Streifengeo metrie)
"Transition Radiation"-Detektor zur
Teilchenidentifikation
s/pT  5 x 10 -4 pT/GeV + 0.01
CMS
Solenoid (4T)
1 Magnet
Silizium (Pixel- und
Streifengeo metrie)
s/pT  1.5 x 10 -4 pT/GeV +
0.005
Em.
Kalorimeter
Blei- Flüssigargon
s/E  10%/¦E /GeV + 1%
PbWO 4-Kristalle
s/E  (2-5)%/¦E /GeV + 0.5%
Hadronkalor.
Eisen-Szintillator + Kup fer-Flüssigargon
s/E  50%/¦E /GeV + 3%
Kupfer-Szintillator + Fasern
s/E  65%/¦E /GeV + 5%
Müonsystem
3 Stationen
Driftkammern +
Kathodenstreifenka mmern (Tracking)
Resistive Plate Chambers +
Thin Gap Chambers (Trigger )
4 Stationen
Driftkammern +
Kathodenstreifenka mmern,
Resistive Plate Chambers
(Tracking + Trigger )
Trigger und Datenakquisition