Vorlesung5_nov2001

Standardmodell-Higgs
Verzweigungsverhältnisse
Breite
Higgs bei LEP?
2 b Kandidat
HZ Hypothese
mH=(114 GeV
3) GeV
Jet b-tagWahrscheinl.:
Z
1
0.14
2
0.01
H
3
0.99
4
0.99
Kin. Massenfit
mH =112.4 GeV
mZ =93.3 GeV
_
e+e - -> HZ -> bbjj ?
ZZ-Hypothese
mZ=102 GeV
mZ=91.7 GeV
Entdeckungsstrategie für das Standardmodell-Higgs
Bei LHC ist das SM-Higgs im gesamten erwarteten Massenbereich
vom derzeitigen LEP-Limit 115 GeV bis 1 TeV zugänglich.
Je nach Masse benützt man verschiedene Zerfallskanäle:
80 GeV < mH < 140 GeV
130 GeV < mH < 700 GeV
500 GeV < mH < 1000 GeV
500 GeV < mH < 1000 GeV
800 GeV < mH < 1000 GeV
800 GeV < mH < 1000 GeV
H -> gg, H -> bb
H -> ZZ(*) -> 4 Leptonen (l)
H -> ZZ -> 2 l + 2 Jets
H -> ZZ -> 2 l + 2 n
H -> WW-> l + n + Jets
H -> ZZ-> 2 l + 2 Jets
H -> gg
Elektromagnetisches Kalorimeter
wurde auf diesen Kanal optimiert.
DmH/mH < 1%, Signal/Untergrund 1/20
H -> ZZ*, ZZ
Nachweis beruht auf ausgezeichnetem
Tracker, em. Kalorimeter und Müonsystem.
DmH @ 1 GeV für mH < 170 GeV
H -> 2 l + 2 Jets (oder 2 n)
Nachweis erfolgt durch Leptonen, Jets
und fehlende Energie. Für letztere ist ein
gutes Hadronkalorimeter mit großem
Rapiditätsbereich wichtig.
Standardmodell-Higgs in ATLAS
Signifikanzen für 30 und 100 fb-1
Standardmodell-Higgs in CMS
CMS 5s
Signifikanz für 100 fb-1
5 s - Konturen
Supersymmetrie
• Vielleicht sind die elektroschwache und die starke Kraft vereint.
In diesem Fall würden Leptonen und Quarks ineinander
übergehen können und das Proton wäre nicht stabil. Der
Massenwert, bei dem Vereinigung in einer entsprechenden
Theorie (“Grand Unifier Theory”, GUT) eintritt, muß groß genug
sein, so daß die Zerfallsrate des Protons mit dem experimentell
gemessenen Wert kompatibel ist.
• Die Kopplungskonstanten ”laufen" in Quantenfeldtheorien
aufgrund von Vakuumfluktuationen. Beispiel: In der
Quantenelektrodynamik ist die elektrische Ladung e durch
Fluktuationen von Photonen in e+e--Paare bis zu einer Distanz von
le ~ 1/me abgeschimt. Daher steigt a mit steigender Masse: a(0) =
1/137, a(MZ) = 1/128.
Supersymmetrie
Evolution of Coupling Constants in SUSY
Evolution of Coupling Constants in the SM
70
70
1/aem
60
60
50
40
40
1/aw
1/ a
1/ a
50
30
30
20
20
1/as
10
0
0
10
a3
a2
a1
5
10
a3
a2
a1
10
10
Mass(GeV)
15
10
10
0
0
10
5
10
10
10
Mass(GeV)
15
10
20
10
Um bei hohen Energien unnatürlich große Strahlungskorrekturen zur
Higgsmasse zu vermeiden und damit das so genannte Hierarchieproblem
zu
vermeiden,
fordert
man
zu
jedem
SM-Fermion
einen
supersymmetrischen Boson-Partner und vice versa. Wenn die Masse des
SUSY-Partners in der Größenordnung ~ 1 TeV liegt, dann gilt die GUTVereinigung bis zu 1016 GeV.
SUSY-Higgssektor
Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell gibt
es 5 Higgsbosonen: h0, H0, A0 und H±. Die Suche nach
ihnen erfolgt teilweise ähnlich wie im Standardmodell.
SUSY-Higgse in ATLAS
5 s - Konturen
SUSY-Higgse in CMS
Sparticles
Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre
Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Ebenso
kann ein charakteristischer Abfall im l+l-- Massenspektrum aufgrund des Zerfalls c20 -> l+l- c10 auftreten.
Beispiel für Physik jenseits des Standardmodells
Compositeness in ATLAS
CP-Verletzung und B-Physik
- Bis jetzt keine Präzisionsmessung der CP-Verletzung im
Standardmodell. Es kann nicht ausgeschlossen werden daß CPVerletzung teilweise durch neue Physik erklärt werden muß.
- Die Kosmologie legt nahe, daß es zum Standardmodell eine
zusätzliche Quelle von CP-Verletzung geben muß (Materie Antimaterie-Asymmetrie).
- CP-Verletzung wurde bislang nur in der Zerfallsamplitude
von KL-Mesonen nachgewiesen. Im B-Meson-System stehen viel
mehr Zerfallsmoden zur Verfügung. Für viele davon macht das
Standardmodell genaue Vorhersagen, so daß Abweichungen
detektiert werden könnten.
Exakte Symmetrie ist unnatürlich!
CKM-Matrix
(
Vud Vus Vub
Vcd Vcs Vcb
Vtd Vts Vtb
VCKM =
(
VCKM(3) =
1- l2
-l
A l3 (1-r-ih)
)
= VCKM(3) + dVCKM
l
1-l2/2
-Al2
A l3(r-ih)
A l2
1
)
Vij sind proportional zur Stärke der Kopplung von downartigen (d, s, b) und up-artigen Quarks (u, c, t) an W± .
CKM-Unitaritätsdreiecke im B-System


VtdVtb + VcdVcb +
 Vub

a

VudVub
 Vtd

g
 Vcb
=0

VtdVud


+ VtsVus + VtbVub = 0
r
 Vub
h
g
 Vtd
dg
 Vts
arg Vcb = 0, arg Vub = - g, arg Vtd = - , arg Vts =   dg
Messung der CKM-Parameter
Beispiele:
+g

g - 2 dg
dg
g
Bd0 -> +  Bd0 -> J/y KS
Bs0 -> DS±K ±
Bs0 -> J/y F Bd0 -> D0K*0, D0K*0 , ...
Experimentelle Anforderungen:
Hohe Statistik für Bu,d,s-Zerfälle mit Verzweigungsverhältnissen < 10-7
Ausgezeichnete Zeitauflösung
Ausgezeichnete Teilchenidentifikation
Effizientes und flexibles Triggerschema, auch für Hadronen.
Hohe Statistik wird bei LHC leicht erreicht, da:
B-Produktionswirkungsquerschnitt bei 14 TeV:
sbb ≈ 500 mb
LHCb-Luminosität: 2 1032 cm-2 s-1
Rate(bb) = 105 s-1 : 0.5% des totalen inelastischen Querschnitts
Spezialexperiment LHCb
Spezialexperiment LHCb
Schnitt transversal zum Magnetfeld
Abschirmung
Magnet
RICH 2
ECAL
Müondetektor
HCAL
Tracker
RICH 1
Vertexdetektor
x/m
1.9 < h < 4.9
z/m
LHCb-Detektor
Vertexdetektor:
Si r-f Streifendetektor, einseitig, 150mm dick, Analogreadout
Tracking-System:
Außen: Driftkammer
Innen: Micro-Strip Gasdetektor oder Kathodenstreifenkammer
(Option: Siliziumdetektor)
RICH-Detektoren (Ring Imaging Cherenkov):
RICH-1: Aerogel (n = 1.03) C4F10 (n = 1.0014)
RICH-2: CF4 (n = 1.0005)
Photodetektor; Hybridphotodioden (Ersatz: Photoelektronenvervielfacher)
Kalorimeter:
Preshower-Detektor: Blei-Szintillatorschicht (14/10 mm)
Elektromagnetisches K.: Blei-Szintillator, 25X0, 10% Auflösung
Hadron: Tile-Kalorimeter, 7.3l, 80% Auflösung
Müonsystem:
Multi-gap Resistive Plate Chamber und Cathode Pad Chamber
LHCb-Ereignis im Vertexdetektor
Müon zum Triggern
Primärvertex
Auflösung: Zerfallsdistanz 120 mm, Zerfallszeit 0.4 ps
Vergleich LHCb - ATLAS/CMS
Kanäle
Bd  J/yKS
Bs  J/yf
Bs  DSK
Bd  DK
Bd  D*
Bd  
Bd  K (CP in gluonischen Pinguingr.)
Bd  r
Bs  Kg (CP in radiativen Pinguingr.)
Bs  Kll- (CP in radiativen Pinguingr.)
Bs-Oszillationen, maximales xs
Bs  mm-
LHCb










75

ATLAS/CMS


 (Teilchenid.)
(T.id.,Trigger)
 (Teilchenid.)
 (Teilchenid.)
 (Teilchenid.)
?
?

38

Schwerionenphysik
Zweck ist Studium des Deconfinement. Das Quark-GluonPlasma (QGP) wurde ziemlich sicher schon bei Schwerionenexperimenten erzeugt. Die Energie reicht jedoch nur gerade
aus. Bei LHC wird das QGP routinemäßig erzeugt werden.
Bei der Kollision von Kernen werden u.a. charm- und
bottomhältige Teilchen (J/y, Y) erzeugt. Bei Kollisionen von
schweren Kernen entstehen jedoch weniger als bei Kollisionen
von leichten Kernen. Strangeness-Erzeugung sollte erhöht
sein.
Am LHC ist das Spezialexperiment ALICE zum Studium des
QGP vorgesehen. Es ist zur Zeit an der Stelle des LEPExperiments L3 in Bau.
Schwerionenphysik
Pb-Pb-Kollision
im NA49-Experiment
des CERN
Die enorme Anzahl der Teilchen ist die größte experimentelle Herausforderung
der Schwerionenphysik. In den derzeitigen Experimenten werden im Mittel bei
Blei-Kollisionen 1500 Spuren erzeugt. Bei LHC wird diese Zahl 50 000 sein!
Teilchenidentifikation ist essentiell.
Schwerionenexperiment ALICE
TOTEM
TOTEM
ist
ein
Spezialexperiment
für
die
Messung
des
Gesamtwirkungsquerschnitts, von elastischer Streuung und diffraktiven
Prozessen.
Der Gesamtwirkungsquerschnitt wird luminositätsunabhängig bestimmt
durch gleichzeitige Messung von elastischen Streuprozessen mit geringem
Inpulstransfer und von inelastischen Wechselwirkungen.
Mit dieser Methode ist auch eine absolute Kalibration der
Beschleunigerluminosität möglich.
Der Detektor besteht aus:
Teleskopen von "Roman Pots" symmetrisch auf beiden Seiten der
Wechselwirkungsregion CMS. Sie dienen zur Messung von Protonen, die mit
sehr kleinen Winkeln in elastischen oder quasi-elastischen Reaktionen
gestreut werden.
einem Detektor zur Messung aller inelastischen Prozesse im
Rapiditätsbereich 3 bis 7.
Österreichische Beiträge zu LHC-Experimenten
ATLAS
Universität Innsbruck:
Simulationsstudien (B-Physik, …), Physikanalyse
CMS
Institut für Hochergiephysik der ÖAW:
Globaler Triggerprozessor
Regionaler + globaler Müontriggerprozessor
Bau von Modulen und Steuerelektronik des SiliziumTrackers und Pixeldetektors
Bau von Teilen des Alignment-Systems
Software, Simulationsstudien (SUSY, …), Physikanalyse
Neue Institute, Mitarbeiter, Studenten (Sommer,
Diplomarbeiten, Dissertationen) willkommen!
Zusammenfassung
Der LHC-Beschleuniger ist ein geeignetes Werkzeug für die
Erforschung der Physik im TeV-Bereich.
Zwei Mehrzweckexperimente sowie drei spezialisierte
Experimente stehen zur Verfügung.
Die ersten Daten
werden mit Spannung
erwartet!