Aktuelle Forschungsergebnisse aus Elementarteilchen und

SS2005
Seminar ü ber:
Aktuelle Forschungsergebnisse aus Elementarteilchen­ und Astroteilchenphysik
Betreuer:
Prof. M. Erdmann, Prof. L. Feld, Prof. Th. Hebbeker, Dr. K. Hoepfner, Dr. St. Kappler, Dr. K. Klein, Dr. Th. Kress, Dr. D. Lanske, Dr. O. Pooth, Dr. St. Roth, Prof. A. Stahl
Organisatorisches
(Info­Zettel gibt'
s bei der Anmeldung!)
Veranstaltungstermin: Dienstags von 8:30­10:00 (14 Termine)
Ort: Physikzentrum, Seminarraum 26 C 201 Vortragszeit: etwa 60 Minuten (plus Diskussion)
Ausarbeitung: ca. 10 Seiten, Abgabe 3 Wochen nach Vortrag
Webseite mit Vortragsterminen, Info über Betreuer etc.:
http://www.physik.rwth­aachen.de/~klein/seminar_SS05.html
(auch über Campus erreichbar)
Anmeldung: mӧglichst direkt nach dieser Veranstaltung bei mir.
Themenü bersicht
12.4. Einführung in das Standardmodell der Teilchenphysik
19.4. Erzeugung von Elementarteilchen: Teilchenbeschleuniger
26.4. Nachweis von Elementarteilchen: Teilchendetektoren
03.5. Physik der W­ und Z­Bosonen
10.5. Physik des Top­Quarks
24.5. Die Quark­ und Gluonstruktur von Hadronen
31.5. Experimente zur Messung der CP­Verletzung
07.6. Suche nach dem Higgs­Boson
14.6. Suche nach Supersymmetrie
21.6. Extra­Dimensionen und Mini­Blackholes
28.6. Auf der Suche nach dunkler Materie
05.7. Solare Neutrinos und Neutrinos aus Kernreaktoren
12.7. Atmosphärische Neutrinos und Neutrinos von Beschleunigern
19.7. Kosmische Strahlung
Einfü hrung in das Standardmodell der Teilchenphysik
Die uns bekannten Teilchen und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte werden im Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben:
Ladung:
Materie ist aufgebaut aus p, n, e
+2/3
­1/3
­1
Thomson1897
Kathodenstrahlen
0
Masse
{
Kräfte vermittelt
durch Austauschteilchen
1995 entdeckt
(Fermilab)
Elektro­schwache Kraft
wird fieberhaft gesucht!
2000 entdeckt
(Fermilab)
Erzeugung von Elementarteilchen: Teilchenbeschleuniger
Materie um uns herum besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen  andere Teilchen des Standardmodells müssen künstlich erzeugt werden!
Nach Einstein gilt E = mc 2  beschleunige bekannte Teilchen auf hohe Energie und bringe sie zur Kollision  neue kurzlebige massive Teilchen werden erzeugt. Beschleunigungskavitӓten
Linearbeschleuniger
Verwendete Teilchenspezies: e +e ­, z.B. LEP (bis 2000)
­
pp, z.B. Tevatron (aktiv)
ep, HERA (aktiv) pp, LHC (ab 2007) Kreisbeschleuniger
Fokussiermagnete
Dipolmagnete
LEP: 27 km Umfang!
Nachweis von Elementarteilchen: Teilchendetektoren
Nachweis und Identifikation der verschiedenen Elementarteilchen mit gigantischen Detektoren unter Ausnutzung ihrer unterschiedl. WW mit Materie
z.B. CMS­Detektor für LHC (zur Zeit im Bau): 12500 t, 15m Durchmesser, 22m Länge Magnet fuer Impulsbestimmung
Energiemessung von Elektronen und p
Photonen, z.B. in
Bleiwolframatkristallen
Messung von Spuren geladener Teilchen, z.B. mit Halbleiterdetektoren
p
Energiemessung von Hadronen
Gasdetektoren zum z.B. Sandwich aus passivem Absorber Nachweis von Myonen
und Szintillationsdetektor Physik der W­ und Z­Bosonen
W­ und Z­Boson sind die Austauschteilchen der elektroschwachen Wechselwirkung
● Ihr experimenteller Nachweis und die präzise Vermessung ihrer Eigenschaften stellt einen wichtigen Test des Standardmodells dar!
●
Z­Boson: M  91∙ m p !
Z 0­Produktion bei LEP: = q, e, , ,  ,  , e  
Z­Resonanz: max. Ereigniszahl bei Z­Masse
W +W ­ ­Produktion bei LEP: Typisches WW­Ereignis mit 4 Quark­,,Jets”
Beweis, dass es nicht mehr als 3 (leichte) Familien gibt
 M (W) = (80.425 0.038) GeV
Physik des Top­Quarks
Wurde als letztes Quark erst 1995 am Tevatron­Beschleuniger entdeckt
● Verschiedene interessante Parameter: Masse, Wirkungsquerschnitt, Helizität des Zerfalls­Ws, ,...
●
t­quark ist fast so schwer wie ein Goldatom: M t = 178 GeV!
B­Mesonen aus Zerfall sind langlebig und fliegen O(1mm)  Zerfallsspuren kommen nicht vom Kollisionspunkt
 Jet vom b­Quark identifizierbar
t­Quark zerfällt zu 100% in Wb:
p
p­
p
Nachweis mit Siliziumstreifendetektoren
Experimentell schwierig: je nach Zerfall bis zu 6 Teilchenbündel (Jets), die korrekt kombiniert werden müssen
Die Quark­ und Gluonstruktur von Hadronen
Aus welchen Teilchen besteht das Proton? Ist die ganze Wahrheit? 1q
Untersuchung bei HERA mit ep­Kollisionen:
3q
Typ. Messgrösse:
“ Strukturfunktion” Beschreibt Aufteilung des Protonimpulses
auf Quarks und Gluonen 3q+g
Ereignis im H1­Detektor:
Messung
p
e
e
Messung zeigt, dass Hadronen komplizierte Substruktur haben:
Impulsanteil
Experimente zur Messung der CP­Verletzung


P­Symmetrie (P=Parität): Spiegelung ( p ­p )
C­Symmetrie (C=charge): Teilchen  Antiteilchen (q ­q)
P und C verletzt im Standardmodell!
Was ist mit CP?
­
­ ­
Untersucht aktuell in Mesonen mit b­quarks: B 0 = db, B 0 = bd
Produktion von Millionen von B­Mesonen an e +e ­ Beschleunigern in USA (SLAC) und Japan (KEK)
L
C
­
L
P
CP
R
­
R
Suche nach Asymmetrien ­
zwischen B 0 und B 0:
Nachweis z.B. mit Babar­Detektor
}J/
­
+
B 0 → K −π +
B 0 → K +π −
Suche nach dem Higgs­Boson
Teilchen erhalten im Standardmodell Masse über Higgs­Mechanismus:
“ Abbremsung” durch Wechselwirkung mit Hintergrundfeld = Higgsfeld Zugehöriges Teilchen: Higgs­Boson H (S=0, neutral)
Wichtigster Produktionsmechanismus bei LEP: Higgs­Strahlung
qqbb­Kandidat von Aleph (LEP):
Peter Higgs
Kopplungsstärke proportional zur Masse  zerfällt hauptsächlich in b­quarks
Spuren kommen nicht vom Wechselwirkungs­
punkt wegen Langlebigkeit der B­Mesonen
Letztes noch nicht nachgewiesenes Teilchen des Standardmodells Experimentelle Grenze: M > 114.4 GeV
Falls das Higgs existiert, muss es bei LHC (ab 2007) gefunden werden!
Standardmodell der Teilchenphysik ist unbefriedigend:
z.B. Vereinheitlichung der elektroschwachen und starken Kraft nicht möglich 1/Kopplung
Suche nach Supersymmetrie Supersymmetrie (SUSY): zu jedem Standardmodell­Teilchen exisitiert ein SUSY­Teilchen mit anderem Spin, z.B. Lepton (S=½)  Slepton (S=0)
Photon (S=0)  Photino (S=1/2), ...
Theoretisch unvoreingenommenes Modell: 124 freie Parameter!  Verschiedene “ minimale” Modelle mit ca. 5 freien Parametern
Beim Zerfall der SUSY­Teilchen entstehen SM­Teilchen, z.B.
e
~
e SUSY­Teilchen sind viel schwerer als ihre Standardmodell­Partner
~ 
(stabil)
1
Suche nach z.B. Slepton­Zerfällen im Detektor Bis jetzt keine SUSY­Teilchen gefunden  Rückschluss auf Modelle
Extra­Dimensionen und Mini­Blackholes
In String­Theorie: Extra­Dimensionen, sind “ aufgerollt” ● Gravitation wirkt in allen Dimensionen ●
Schwarze Löcher bekannt aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie
● In Theorien mit Extradimensionen wird Gravitation auf kleinen Abständen so stark, dass schwarze Löcher in Beschleunigern erzeugt werden könnten, wenn Teilchen sich näher als Schwarzschildradius kommen!
●
Grosser Wirkungsquerschnitt bei LHC ● Koppelt demokratisch an alle Teilchen  spektakuläre Signaturen im Detektor!
●
Die Suche nach dunkler Materie
Viele experimentelle Hinweise, dass sichtbare Materie nur sehr kleinen Teil der Materie im Universum darstellt!
­ z.B. Berechnung von Galaxienmassen aus Bewegung der Sterne, Galaxienbewegung etc.
­ Analyse des kosmischen Mikrowellenhintergrundes zeigt: Nicht­baryonische kalte Dunkle Materie: Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs)
Bester Kandidat: leichtestes stabiles SUSY­Teilchen 1
Suche nach WIMPS: Nachweis des Kernrückstosses aus elastischer WIMP­Streuung in abgeschirmten Tieftemperatur­Kalorimetern: CRESST
Solare Neutrinos und Neutrinos aus Kernreaktoren
e­Neutrinos  e
Über 30 Jahre lang wurden ca. 50% zu wenig Neutrinos aus Sonne nachgewiesen (Nobelpreis).
Wandeln sich e­Neutrinos in ­ oder ­Neutrinos um?
 Suche nach Neutrino­Oszillationen
SNO­Experiment:
Verschiedene Reaktionen für e­Neutrinos und ­ oder ­Neutrinos 
Unterscheidung zwischen Sorten möglich! erwartet aus Rechnungen: 5.05x10 6/cm 2/s
(e­neutrinos) = 1.76x10 6/cm 2/s
(­neutrinos) = 3.41x10 6/cm 2/s
(alle neutrinos) = 5.17x10 6/cm 2/s
 e­Neutrinoswandeln sich in andere Neutrino­Sorten um!
Atmosphärische Neutrinos und Neutrinos von Beschleunigern
Super­Kamiokande
Erwartet:
#  / # =2 
e
Gemessen:
#  / # = 1.3
e

für '
s, die die Erde durchqueren
Verwandeln sich ­Neutrinos in ­Neutrinos?
In Zukunft Überprüfung durch in Beschleunigern erzeugte Neutrinos.
Kosmische Strahlung
Hochenergetische Teilchen werden von astronomischen Quellen, z.B. Supernovae, erzeugt.
Direkter Nachweis durch Ballon­ und Weltraumexperimente, indirekt über Luftschauer in der Erdatmosphäre