Zum Vortrags-Text - Akademie der Wissenschaften in Hamburg
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Jenseits der Antimaterie Das Higgs Teilchen – eine Suche nach den Grenzen der Physik Peter Schleper Universität Hamburg 17.4.2012 Akademie der Wissenschaften in Hamburg Quantenphysik: kleinste Bausteine der Natur Periodensystem der Elemente Teilchenphysik: Quarks und Elektronen fundamental und unteilbar Materie und Antimaterie Albert Einstein 1905: Paul Dirac 1928 : Entdeckung 1933 e+ Spezielle Relativitätstheorie • Lichtgeschwindigkeit ist universell c = 30 cm / nano-Sekunde • Energie kann in Masse übergehen à Erzeugung neuer Teilchen e- Relativistische Quantenphysik • • • Vorhersage der Antimatierie Elektron: Ladung = -1 Positron: Ladung = +1 Mathematik à Vorhersage der Eigenschaften der Natur Teilchen und Kräfte im Standard - Modell LHC: Large Hadron Collider CERN: Europäisches Zentrum für Teilchenphysik in Genf LHC: Proton-Proton Kollisionen bei 8.000.000.000.000 eV Faktor 1000 mehr Kollisionen als bisher Der Large Hadron Collider am CERN Das CMS-Experiment Compact Muon Solenoid – 100m unter der Erde CMS-Surface-Area LHC-Tunnel CMS-Halle CMS Experiment: 39 Länder 184 Institute 2700 Physiker & Ing. http://cms.web.cern.ch Compact Muon Solenoid Deutsche Gruppen: RWTH Aachen Uni. Hamburg KIT Karlsruhe DESY Detektoren 600 Millionen el. Kanäle Kollisionen alle 25 ns Daten werden weltweit analysiert Beispiel: Silizium - Detektor TEC R3 Modul Detektoren CMS Detektor CMS: Proton – Proton Kollisionen Videos - I LHC & Atlas: Z – Zerfall http://cdsweb.cern.ch/record/1309873 lokal CMS: Higgs Kandidaten H-> 4 Muonen lokal http://cdsweb.cern.ch/record/1406329 H-> Photonen lokal http://cdsweb.cern.ch/record/1406328 H-> 4 Elektron lokal http://cdsweb.cern.ch/record/1406325 Symmetrien Symmetrien in der Quantenmechanik • Beschreiben Eigenschaften der Teilchen – Wellen • à Vorhersage der Kräfte !! Analogie: Drehung eines Balls à Phase einer Welle Vorhersagen, Entdeckungen & Nobelpreise • Starke und Schwache Kraft • 3. Neutrino, Quarks: charm, top • W, Z, Gluon • Erfolgreich für alle Experimente • Higgs ?? Problem: • Unterschiede zwischen Teilchen • Massen sind verboten !! Symmetrie – Brechung „Symmetrie ist die Kunst der Phantasielosen“ (unbekannt) Symmetrie - Brechung Postulat von Peter Higgs und anderen (1964): • Neues Feld, das selbst im Vakuum nicht Null ist • Teilchen reagieren mit diesem Feld und werden dadurch abgebremst • • à Bewegung der Teilchen so, als hätten sie Masse à Masse erklärt als Kraftkonstante λ m = λ * VHiggs (v = Higgs – Feldes im Vakuum) Nachweis: Anregung des Higgs – Feldes (Teilchen) Analogie: Bewegung durch Wasser ten ist daher in diesem Bereich die natürliche Breite vernachlässigbar klein der experimentellen Auflösung. Ab ca. 160 GeV ergibt sich ein starker Anstieg durch Zerfälle in W un schon knapp unterhalb der kinematischen Schwelle (z.B. für H → W + die W -Bosonen nur virtuell erzeugt werden können), kann ein Zerfall d wenn die Unterdrückung durch den Propagator des virtuellen Teilchen Erzeugung von Higgs – Teilchen viel größere Kopplung (hier HW W -Kopplung) mehr als ausgeglichen wi Benötige Teichen mit hoher Masse ~ Kraftkonstante inbesondere wichtig für Teilchen mit großer Breite, also für die Zerfälle Nachweis des Higgs - Teilchens • à mehrstufiger Prozess à kleine Rate H → W W ∗ , ZZ ∗ , tt̄∗ Da Photonen und Gluonen masselos sind koppeln sie nicht direkt an das H Trotzdem sind Zerfälle H → γγZ Nachweis durch Zerfälle und • p p à H à Z Z à H → gg Boson, ...Decays • p pHiggs à H à Z Z à e+e- µ+µ-über Schleifen von Fermionen und Bosonen möglich. Solche Beiträge kö Z auch in der Produktion wichtig sein. • p p à H à W W • p p à H à W W à Photonen e+e- e+e- Konkurrierende Prozesse ohne Higgs + ! W , Z, t, b, c, ,.........., g, • Viel häufiger à Finde mehrere Ereignisse In mit Masse dann wegen ihrer großen Kopplung an da dengleicher Schleifen dominieren schwersten Teilchen, b, W, Z. Durchwurde die Schleifen sind die Formeln deu Berechne Wahrscheinlichkeit, dass Higgst, gefunden -, Z, Wà t, b, c, ",.........., g, plizierter. Die wesentlichen Abhängigkeiten sind Γ(H → γγ) ∼ α2 G M 3 Videos - II CMS: Higgs Kandidaten H-> mumumumu lokal http://cdsweb.cern.ch/record/1406329 H->gammagamma lokal http://cdsweb.cern.ch/record/1406328 H->eeee lokal http://cdsweb.cern.ch/record/1406325 Z Z Kandidaten: Higgs à Photonen Kandidaten: Higgs à Z Z à e+e- e+e- Kandidat: Higgs à Z Z à e+e- µ+µ- Kandidat: Higgs à Photonen Higgs Resultate: Grenzen Vergleich zur Vorhersage des Standard – Modells ohne Higgs • Große Higgs Massen sind ausgeschlossen • • erlaubt: 117 < MHiggs < 127,5 GeV Leichte Abweichung bei Higgs – Masse von ~ 125 GeV Bei beiden Experimenten etwa gleich Higgs – Resultate: P- Werte Wahrscheinlichkeit, dass andere Teilchenprozesse allein die Messungen erklären können • Leichte Abweichung bei Higgs – Masse von ~ 125 GeV • Bei beiden Experimenten gleich • Entdeckung erfordert Wahrscheinlichkeit von < 1 / 3.000.000 • Benötige deutlich mehr Daten (hoffentlich bis Ende 2012) Higgs Resultate: Signal – Stärke Vergleich zur Higgs - Vorhersage des Standard – Modells • Fast überall kein Higgs – Signal sichtbar • Leichte Abweichung bei Higgs – Masse von ~ 125 GeV • Bei beiden Experimenten gleich • In etwa wie vorhergesagt (im Rahmen der Fehler) • à benötige weit mehr Daten Kritik des Standard – Modells Erfolge: • Wenige Grundprinzipien: • • • Relativität + Quantenphysik Symmetrie + Symmetriebrechung Vorhersage neuer Quanten in der Natur Vorhersage aller bisherigen Labor - Resultate ( + Higgs ? ) Erstmalig komplette Beschreibung der Naturgesetze der Physik ? Probleme: • 17 Teilchen, 26 Naturkonstanten für 5 % der Energie • 22 der Konstanten durch Higgs !? • Keine Erklärungen ? • Beitrag zur dunklen Energie ? • Beitrag zur dunklen Materie ? • Quantenkorrekturen zum Higgs • Bessere Prinzipien ? • Supersymmetrie ? Substrukturen ? Zusammenfassung Teilchenphysik: • Elektronen, ..., Quarks und Kräfte • LHC Beschleuniger und Experimente Higgs: • Postuliert Higgs – Feld • Erklärt Masse als Wechselwirkung • Entdeckung am LHC möglich ... ( 2012 ? ) Standard – Modell: der einfachste Fall: • Vorhersagekraft: Antimaterie, top- Quarks, W, Z • Eigenschaften des Higgs vorausgesagt • Higgs – Masse nur noch erlaubt im Bereich 117,5 – 127,5 GeV • Nachweis evtl. 2012 am LHC ? Offene Fragen: • • • • Keine Erklärung warum die Natur so ist wie sie ist ? Asymmetrie Materie – Antimaterie, Gravitation, Dunkle Materie / Energie Viele Alternativen zum Standard – Modell: Supersymmetrie, Compositeness, Technicolour Asymmetrie Materie – Antimaterie, Gravitation, Dunkle Materie / Energie
