Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders

Physik der Elementarteilchen
im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Stefan Dittmaier
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 1
Fragen (nicht nur) an die Elementarteilchenphysik
. . . nach der Struktur von Materie:
•
Aufbau von Materie ?
•
Elementaren Bausteine der Materie ?
•
Ordnungsprinzip ?
Antike:
WAS ?
philosophische Ansätze
6. Jahrh. v. Chr.
Thales von Milet u.a.
→ Erde, Wasser, Feuer, Luft
5. Jahrh. v. Chr.
...
Leukipp / Demokrit
→ „Atome“ als kleinste unteilbare Teilchen
Neuzeit in Europa:
Begründung der modernen Chemie und Physik
→ Klassifizierung der Elemente durch exp. Methoden
17. Jahrh.
Boyle u.a.
19. Jahrh.
...
Clausius, Maxwell, Boltzmann u.a.
→ exp. Hinweise auf Atome
heute
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Fragen (nicht nur) an die Elementarteilchenphysik
. . . nach den Naturgesetzen:
•
Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen ?
•
Mathematische Beschreibung ?
•
Grundprinzipien ?
•
Gibt es ein fundamentales Grundprinzip ?
WIE ?
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Fragen (nicht nur) an die Elementarteilchenphysik
. . . nach der Struktur von Raum und Zeit:
WO & WANN ?
•
Drei Raumdimensionen oder mehr ?
•
Unterschiede zwischen Raum und Zeit ?
•
Gibt es eine kleinste Länge oder Zeitspanne ?
Allgemeine Relativitätstheorie Einstein 1915
Masse & Energie krümmen Raum und
Zeit
֒→ Beschreibung großer Abstände (Erdschwerkraft, Planetenbewegung, Astronomie, GPS, etc.)
Aber: Struktur bei kleinen Abständen ? Quantentheorie ?
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Jenseits der Physik...
Warum ?
Wahrheit
Sinn
Seele
Gott
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Zum Inhalt des Vortrages
Aufbau von Materie, Elektromagnetismus und Starke Kraft
Schwache Wechselwirkung und Teilchenmassen
Physik am Large Hadron Collider
Die Suche nach „Neuer Physik“
e
↔
ẽ
?
Schlussbemerkungen
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Aufbau von Materie,
Elektromagnetismus und
Starke Kraft
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
Molekül
∼ 10−9 m
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
Chemie, Biologie, etc.
Molekül
∼ 10−9 m
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
Chemie, Biologie, etc.
Molekül
∼ 10−9 m
Atom
∼ 10−10 m
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
Chemie, Biologie, etc.
Molekül
∼ 10−9 m
Atomphysik
Atom
∼ 10−10 m
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
Chemie, Biologie, etc.
Molekül
∼ 10−9 m
Elektron
punktförmig
(< 10−19 m)
Atomphysik
e
Atom
∼ 10−10 m
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
Chemie, Biologie, etc.
Molekül
∼ 10−9 m
Elektron
punktförmig
(< 10−19 m)
Atomphysik
e
Atom
∼ 10−10 m
Atomkern
∼ 10−14 m
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
Chemie, Biologie, etc.
Molekül
∼ 10−9 m
Elektron
punktförmig
(< 10−19 m)
Atomphysik
e
Atom
∼ 10−10 m
Kernphysik
Atomkern
∼ 10−14 m
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
Chemie, Biologie, etc.
Molekül
∼ 10−9 m
Elektron
punktförmig
(< 10−19 m)
Atomphysik
e
Atom
∼ 10−10 m
Kernphysik
Atomkern
∼ 10−14 m
Nukleonen
∼ 10−15 m
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
Chemie, Biologie, etc.
Molekül
∼ 10−9 m
Elektron
punktförmig
(< 10−19 m)
Atomphysik
e
Atom
∼ 10−10 m
u
d
Quarks
Kernphysik
Atomkern
∼ 10−14 m
punktförmig
(< 10−18 m)
Nukleonen
∼ 10−15 m
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
Chemie, Biologie, etc.
Molekül
∼ 10−9 m
Elektron
Elementarteilchenphysik
punktförmig
(< 10−19 m)
Atomphysik
e
Atom
∼ 10−10 m
u
d
Quarks
Kernphysik
Atomkern
∼ 10−14 m
punktförmig
(< 10−18 m)
Nukleonen
∼ 10−15 m
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Aufbau von Materie
Kristall
∼ 10−2 m
Elektromagnetische WW
Dominante Wechselwirkungen:
• Elektromagnetische WW
• Starke WW
Molekül
∼ 10−9 m
Elektron
Elektromagnetische WW
punktförmig
(< 10−19 m)
e
Atom
∼ 10−10 m
u
d
Quarks
Starke WW
Atomkern
∼ 10−14 m
punktförmig
(< 10−18 m)
Nukleonen
∼ 10−15 m
Starke WW
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Elektromagnetische Wechselwirkung
ca. 1900 Klassische Elektrodynamik
֒→ Maxwell’sche Gleichungen
•
Elektrische Ladungen erzeugen elektrisches Feld
•
Bewegte Ladungen erzeugen magnetisches Feld
•
~ und B-Felder
~
Ebedingen sich gegenseitig
֒→ Vereinigung der Kräfte
1920–30 Quantentheorie:
•
„Welle-Teilchen-Dualismus“
Elmg. Wellen haben auch Teilchencharakter („Photonen“ γ)
֒→ Energieübertrag quantisiert in E = hν
(h = Planck’sches Wirkungsquantum, ν = Frequenz)
•
Teilchen haben auch Wellencharakter
֒→ Impulsbetrag p entspricht De Broglie-Wellenlänge λ = h/p
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1930–50 Quantenelektrodynamik (QED) Tomonaga, Schwinger, Feynman, etc.
Quantentheorie der WW zwischen Elektronen/Positronen und Photonen
֒→ Elmg. WW durch Austausch von Photonen
Vereinigung der Elektromagnetischen Wechselwirkung
mit Quantentheorie und Spezieller Relativitätstheorie
e
γ
Elementare WW:
e
Ladung (z.B. Kern)
γ
Typische Prozesse:
e
e−
Elektron-Streuung
e
γ
e−
e
e+
γ
e
γ
e+
Elektron-Positron-Paarvernichtung
γ
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Mathematisches Grundkonzept:
Symmetrien !
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Mathematisches Grundkonzept:
•
Symmetrien !
Raum-Zeit-Symmetrie
֒→ Klassifizierung von Teilchen nach Masse und „Spin“ (=Eigendrehimpuls)
←
Gleiche Naturgesetze in allen
→
Beobachtungssystemen
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Mathematisches Grundkonzept:
Symmetrien !
•
Raum-Zeit-Symmetrie
֒→ Klassifizierung von Teilchen nach Masse und „Spin“ (=Eigendrehimpuls)
•
Diskrete Symmetrien:
⋄
Raumspiegelung P
←
QED-Prozesse auch
→
gespiegelt möglich
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Mathematisches Grundkonzept:
Symmetrien !
•
Raum-Zeit-Symmetrie
֒→ Klassifizierung von Teilchen nach Masse und „Spin“ (=Eigendrehimpuls)
•
Diskrete Symmetrien:
⋄
Raumspiegelung P
⋄
Zeitumkehr T
←
QED-Prozesse auch
→
rückwärts möglich
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 11
Mathematisches Grundkonzept:
Symmetrien !
•
Raum-Zeit-Symmetrie
֒→ Klassifizierung von Teilchen nach Masse und „Spin“ (=Eigendrehimpuls)
•
Diskrete Symmetrien:
⋄
Raumspiegelung P
⋄
Zeitumkehr T
⋄
Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie C
e−
↔
e+
QED-Gesetze gleich für
Elektronen und Positronen
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Mathematisches Grundkonzept:
Symmetrien !
•
Raum-Zeit-Symmetrie
֒→ Klassifizierung von Teilchen nach Masse und „Spin“ (=Eigendrehimpuls)
•
Diskrete Symmetrien:
•
⋄
Raumspiegelung P
⋄
Zeitumkehr T
⋄
Teilchen-Antiteilchen-Symmetrie C
Eichsymmetrie der QED
֒→ Form der Wechselwirkung von Elektronen/Positronen mit Photonen
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Globale und lokale Umeichung
+1000 V
ց
+1000 V
ւ
↑
0V
Keine Potentialdifferenz zwischen Füßen (Symmetrie!) ⇒ kein elektrisches Feld
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 12
Globale und lokale Umeichung
0V
ց
0V
ւ
↑
−1000 V
Globale Umeichung U → U − 1000 V ⇒ kein elektrisches Feld
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 12
Globale und lokale Umeichung
+1000 V
ց
0V
ւ
Lokale Änderung der Spannung (keine Symmetrie!) ⇒ elektrisches Feld
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 12
Globale und lokale Umeichung
+1000 V
ց
+1000 V
ց
0V
ւ
Wiederherstellung der Symmetrie durch neues Potential !
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 12
Grundprinzip einer Eichtheorie
Elektronen tragen inneren Freiheitsgrad ≈ Zeiger
In Theorie: Zeiger muss festgelegt werden,
aber Zeigerstellung enthält keine physikalische Information
֒→ Festlegung = Eichung
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 13
Grundprinzip einer Eichtheorie
Elektronen tragen inneren Freiheitsgrad ≈ Zeiger
In Theorie: Zeiger muss festgelegt werden,
aber Zeigerstellung enthält keine physikalische Information
֒→ Festlegung = Eichung
Globale Eichung → unnatürlich
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 13
Grundprinzip einer Eichtheorie
Elektronen tragen inneren Freiheitsgrad ≈ Zeiger
In Theorie: Zeiger muss festgelegt werden,
aber Zeigerstellung enthält keine physikalische Information
֒→ Festlegung = Eichung
Lokale Eichung → natürlich
⇒ Einführung von Eichpotentialen
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 13
Grundprinzip einer Eichtheorie
Elektronen tragen inneren Freiheitsgrad ≈ Zeiger
In Theorie: Zeiger muss festgelegt werden,
aber Zeigerstellung enthält keine physikalische Information
֒→ Festlegung = Eichung
Lokale Eichung → natürlich
⇒ Einführung von Eichpotentialen
In Quantenfeldtheorie:
Eichpotentiale erzeugen/vernichten Teilchen, sog. „Eichbosonen“
QED: Eichboson = Photon γ koppelt an alle elektrisch geladenen Teilchen
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Quantenchromodynamik (QCD) – Theorie der Starken WW
Gell-Mann, Fritzsch, Leutwyler, Gross, Wilczek, Politzer, etc.
Jede Quark-Spezies („Flavour“) kommt in 3-facher Ausfertigung vor:
0
1
qrot
q = @ qblau A
qgrün
Eichbosonen:
Eichsymmetrie:
kontinuierliche Austauschsymmetrie der Farbladung („Colour“)
8 Gluonen g
֒→ Eichkopplung an Quarks q
q
g
q
Unterschiede zur QED:
•
Eichtransformationen „kommutieren“ nicht
•
Eichbosonen können Farbladung der Quarks ändern,
d.h. Gluonen tragen selbst Farbladung
֒→ Gluon-Selbst-Wechselwirkungen:
(Eichgruppe SU(3) ist nicht-Abel’sch)
g
g
g
g
g
g
g
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Teilchenbeschleuniger als „Teilchen-Mikroskop“
Rutherford, 1908
Hofstadter, 1956
Friedman, Kendall,
Taylor, 1962
HERA, 1992–2007
(DESY Hamburg)
zukünftige
Experimente ?
Entdeckung
des Atomkerns
Ausdehnung
des Protons
Partonen
als Konstituenten
Quark- / GluonGehalt des Protons
QuarkSubstruktur ?
⇒ Unser heutiges Verständnis des Protons:
Proton = komplexer gebundener Zustand aus
•
•
•
„Valenz-Quarks“ uud
uū, dd̄, ss̄, cc̄, bb̄
„See-Quarks“
g
„Gluon-See“
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Eigenschaften der Starken Wechselwirkung
•
„Confinement:“ Farbladung tritt nicht frei auf
֒→ Quarks und Gluon nur in farbneutralen gebundenen Zuständen,
den „Hadronen“: „Baryonen“
&
„Mesonen“
q
q
q
∆++ ∼ huddi
p ∼ huudi
n ∼ huddi
etc.
•
„Asymptotische Freiheit“:
Starke WW wird schwächer bei kleineren Abständen,
d.h. höheren Energieüberträgen
֒→ Partonen sind nahezu freie Teilchen in Proton-Stößen
•
„Jet-Bildung“ bei hohen Energie-Überträgen
q
q̄
֒→ Hadron-Kaskaden („Jets“) durch q q̄-Bildung:
−→
Zeit
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π + ∼ hud̄i
π − ∼ hdūi
π 0 ∼ huū−dd̄i
etc.
usw.
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Ein typisches 4-Jet-Event, beobachtet bei LEP-Kollaboration ALEPH
ECM=200
Nch=28
Pch=78.6 Efl=197. Ewi=126. Eha=41.3 lqqqq_ev
EV1=0
EV2=0
EV3=0
ThT=0
99−08−03
17.Gev EC
8.6Gev HC
Run=50662
5:47
600cm|
DALI_E2
Evt=19981
Detb= E1FFFF
13. Gev EC
11. Gev HC
|−600cm
RZ
Y
|−600cm
Z0<10 D0<2
0
Z
F.C. imp.
600cm|
θ=180
YX hist.of BA.+E.C.
|−500cm
ooo
Z0<10
o −
xo
o
oo−o
oo −
x
o
−
− o
o
x
x
x
x
o
x
oo
o
−
o
xoo
x
oo−x
o
−o
o
− o
x
oo
o
−
o
o
o−
−
x
ox
o
−
x
o
Made on 3-Aug-1999 14:42:48 by lancon with DALI_E2.
Filename: DC050662_019981_990803_1442.PS
0
0
ρ
500cm|
ALEPH
x
|−500cm
D0<2
F.C. imp.
0
X
500cm|
24. GeV
θ=0
o
(φ −43 )*SIN(θ)
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Der ALEPH-Detektor des Large Electron–Positron Colliders (LEP)
am CERN (Genf), 1989–2000
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Der Large Electron–Positron Collider (LEP) am CERN (Genf), 1989–2000
e+ e− -Kollisionen bei Energien von ca. 90 GeV − 210 GeV
LEP-Tunnel: 27 km Umfang;
4 Detektoren: ALEPH, DELPHI, L3, OPAL
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Teilchenerbeschleuniger als „Teilchenerzeuger“
Teilchenkollisionen (e+ e− , ep, pp, pp̄, etc.) erzeugen weitere Teilchen:
•
Photonen γ
•
Leptonen/Antileptonen:
•
Hadronischer „Teilchenzoo“: zahlreiche Mesonen und Baryonen
֒→ Ordnung durch Quark-Modell
Elektron/Positron e± , Myon µ± , Tauon τ ±
{z
}
|
instabile, schwerere Kopien von e±
Top-Quark t:
– 1995 entdeckt am Fermilab (nahe Chicago)
– schwerstes Elementarteilchen
•
Z0 - und W± -Bosonen
֒→ Schwere Austauschteilchen (Eichbosonen) der Schwachen Wechselwirkung
•
(Anti-)Neutrinos νe , νµ , ντ : neutrale „Partner“ zu Leptonen
֒→ wechselwirken nur „schwach“ → spezielle Detektoren nötig
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Schwache Wechselwirkung
und Teilchenmassen
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Experimentelle Fakten zur Schwachen Wechselwirkung
•
Entdeckung durch radioaktiven Beta-Zerfall
ca. 1900: Becquerel, M+P Curie, Rutherford, etc.
•
Entdeckung der P-Verletzung, 1956 Wu et al.
֒→ Schwache WW hat keine Spiegelsymmetrie
•
Entdeckung der CP-Verletzung, 1964 Cronin, Fitch, Turlay
֒→ keine Zeitumkehr-Symmetrie → wichtig in Kosmologie
•
Entdeckung der W- und Z-Bosonen am CERN, 1983
֒→ Schwere (!) Austauschteilchen der Schwachen WW (bereits in den 60ern postuliert)
•
Hochpräzise Physik mit W/Z-Bosonen, 1989−2010
LEP (CERN), SLC (SLAC, Stanford), Tevatron (Fermilab)
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 22
Theorie der (Elektro-)Schwachen Wechselwirkung
Erster Ansatz:
..
.
Fermi-Modell, 1934
Glashow-Salam-Weinberg-Modell (GSW), ca. 1967
= Nicht-Abel’sche Eichtheorie mit Spontaner Symmetriebrechung
GSW-Modell vereinheitlicht Elektromagnetische und Schwache WW
•
W- und Z-Bosonen unterscheiden links- und rechtshändige Fermion-Anteile:
„ L«
„ L«
νe
t
sind „Symmetrie-Dubletts“, aber νeR , . . . , bR sind „Singletts“
,.
.
.
,
L
L
b
e
ν̄eL
⇒
W−
W+
ēR
W−
W+
νeL
eL
•
ν̄eR
ēL
eR
etc.
νeR
Selbstwechselwirkungen der Eichbosonen γ, Z, W±
W
W
γ/Z/W
W
W
γ/Z/W
γ/Z
•
Einführung von Teilchenmassen durch „Higgs-Mechanismus“
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 23
Der Higgs-Mechanismus – wie bekommen Teilchen ihre Masse ?
Peter Higgs
... beschreibt das „Abel’sche Higgs-Modell“
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 24
Der Higgs-Mechanismus – wie bekommen Teilchen ihre Masse ?
Peter Higgs
... beschreibt das „Abel’sche Higgs-Modell“
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 24
Der Higgs-Mechanismus – wie bekommen Teilchen ihre Masse ?
Potential-Minimum = Grundzustand
= Vakuumkonfiguration
(kein Teilchen!)
Aufteilung des Feldes φ:
φ(x) = φmin + H(x)
| {z }
| {z }
Vakuumanteil
Higgs-Feld
֒→ erzeugt Higgs-Teilchen
X
H
φmin
F
Peter Higgs
... beschreibt das „Abel’sche Higgs-Modell“
F
֒→ Teilchen F bekommt Masse
durch Wechselwirkung mit φ
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Elementarteilchen und deren Wechelwirkungen
νµ
ντ
Myon-Neutrino
< 190 keV
Tau-Neutrino
< 18 MeV
τ
Elektron
511 keV
Myon
105.6 MeV
Tauon
1777 MeV
c
t
Up-Quark
Charm-Quark
Top-Quark
∼ 2 MeV
∼ 1.5 GeV
171 GeV
d
s
Down-Quark
∼ 5 MeV


















b
Bottom-Quark
∼ 4.5 GeV
Strange-Quark
∼ 150 MeV
Z
g
Z-Boson
91.1875 GeV
Gluon
0





































H
Higgs-Boson
> 115 GeV
Schwache Kraft
Austauschteilchen: W-, Z-Boson
Starke Kraft
Austauschteilchen: Gluon
Bosonen
W
W-Boson
80.45 GeV














































(Wechselwirkungsteilchen)
γ
Photon
0
Quarks
u



















Elektromagnetische Kraft
Austauschteilchen: Photon
Fermionen
µ















































(Materieteilchen)
e


















Leptonen
νe
Elek.-Neutrino
< 3 eV



















γ
e
e
W, Z
f
f (′)
W
W
W
g
q
Z
W
q
g
g
g
W
W
g
g
g
g
Gravitation
Austauschteilchen: Graviton ???
֒→ H = einziges noch (?) nicht entdecktes Teilchen dieses Spektrums
„Elementar“ heißt:
•
•
punktförmig: keine Substruktur, lokal wechselwirkend
aber nicht notwendigerweise: stabil oder frei beobachtbar
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 25
Struktur und elementare Kopplungen des Standardmodells
Fermionen
Bosonen
Eih-Wehselwirkungen
Eihbosonen:
γ,
±
Z, W
, g
Materie:
Quarks
+
Leptonen
Yukawa-Wehselwirkung
Higgs-Boson:
Selbstwehselwirkung
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 26
Struktur und elementare Kopplungen des Standardmodells
Test des Modells
⇔ Experimentelle Rekonstruktion der Elementar-WW
{z
}
|
Feynman-Regeln
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 26
Struktur und elementare Kopplungen des Standardmodells
Test des Modells
⇔ Experimentelle Rekonstruktion der Elementar-WW
{z
}
|
Feynman-Regeln
Bausteine für geeignete Reaktionen
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 26
Ein Beispiel:
e+
W-Paarproduktion in e+ e− -Streuung
e+ e− → WW → 4f
W
Messung der W-Boson-Masse MW und der
γ, Z
e−
W
γWW-/ZWW-Kopplungen
W
e+
νe
e−
W
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 27
W-Paarproduktion in e+ e− -Streuung
Ein Beispiel:
e+
e+ e− → WW → 4f
W
Messung der W-Boson-Masse MW und der
γ, Z
e−
W
γWW-/ZWW-Kopplungen
W
e+
νe
e−
σWW (pb)
W
Messergebnis von LEP2:
30
17/02/2005
LEP
PRELIMINARY
„Wirkungsquerschnitt“ σWW
֒→ Produktionswahrscheinlichkeit
20
Resultat = Nachweis der Eich-WW:
10
YFSWW/RacoonWW
no ZWW vertex (Gentle)
only νe exchange (Gentle)
W
γ/Z
W
0
160
180
200
√s (GeV)
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 27
Das Standardmodell auf dem Prüfstand
•
Modell beschreibt bekannte Phänomene
sehr gut und sehr genau
•
Struktur der Eichwechselwirkung bestätigt
•
Teilchenhaushalt verifiziert
einzige Ausnahme: Higgs-Boson
•
Hi
gg
s
Experimente schränken Masse des Higgs-Bosons ein
֒→ LHC kann Higgs-Boson finden oder ausschließen
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 28
Physik am Large Hadron Collider
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 29
Large Hadron Collider – der Welt größter Teilchenbeschleuniger
•
•
•
1994 CERN Council beschließt Bau des LHC
֒→ Wiederverwendung des LEP-Tunnels
10.9.2008 Offizieller Start des LHC
10 Tage später: größere Schäden durch Probleme im Kühlsystem
֒→ Reparatur bis August 2009
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 30
Large Hadron Collider – der Welt größter Teilchenbeschleuniger
•
•
•
1994 CERN Council beschließt Bau des LHC
֒→ Wiederverwendung des LEP-Tunnels
10.9.2008 Offizieller Start des LHC
10 Tage später: größere Schäden durch Probleme im Kühlsystem
֒→ Reparatur bis August 2009
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 30
Large Hadron Collider – der Welt größter Teilchenbeschleuniger
LHC back to live !
•
•
•
•
20.11.09: Erste p-Strahlen im Speicherring
23.11.09: Erste Kollisionen mit Strahlenergie Ebeam = 450 GeV
30.11.09: Ebeam = 1.18 TeV → neuer Weltrekord !
16.12.09: LHC geht in Winterpause bis Februar 2010
֒→ ca. 1 Million Kollisionen auf Band
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 30
LHC-Tunnel, Strahlröhre und supraleitende Magnete
Beschleuniger:
Umfang = 27 km
Magnete:
1232 supraleitende Dipolmagnete
(Länge 14 m, mg. Flussdichte B = 8 T bei T = 1.9 K)
p-Strahlen:
Ep = 7 TeV = 7000 GeV
(Energie/Strahl bis zu 360 MJ)
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 31
Zum Wirkungsquerschnitt σpp inelastischer pp-Kollisionen:
“Parton-Modell” für Protonstruktur
Quarks & Gluonen
֒→ prozess-unabhängige Partonverteilungen
experimentell bestimmt
Harte Wechselwirkung der Partonen
֒→ Präzisionsrechnungen möglich,
Modell für harte Wechselwirkung
kann getestet werden
σpp kann berechnet werden !
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 32
Zur Higgs-Suche am LHC
Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen:
W, Z
H
f¯
∝ MW
W, Z
∝ mf
H
f
⇒ Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 33
Zur Higgs-Suche am LHC
Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen:
W, Z
f¯
∝ MW
H
∝ mf
H
f
W, Z
⇒ Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks
Reaktionen nach Prinzip des LEGO-Baukastens
t
t
t
H
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 33
Zur Higgs-Suche am LHC
Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen:
W, Z
f¯
∝ MW
H
∝ mf
H
f
W, Z
⇒ Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks
Reaktionen nach Prinzip des LEGO-Baukastens
γ
t
t, W
t
t
H
γ
֒→ Suche nach 2 Photonen
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 33
Zur Higgs-Suche am LHC
Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen:
W, Z
f¯
∝ MW
H
∝ mf
H
f
W, Z
⇒ Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks
Reaktionen nach Prinzip des LEGO-Baukastens
l−
t
Z
l+
Z
l−
t
t
H
l+
֒→ Suche nach 4 Leptonen
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 33
Zur Higgs-Suche am LHC
Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen:
W, Z
f¯
∝ MW
H
∝ mf
H
f
W, Z
⇒ Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks
Reaktionen nach Prinzip des LEGO-Baukastens
l−
W
t
ν̄l
t
t
H
W
νl
l+
֒→ Suche nach 2 Leptonen + fehlende Energie
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 33
Zur Higgs-Suche am LHC
Higgs-Bosonen koppeln proportional zu Teilchenmassen:
W, Z
H
f¯
∝ MW
∝ mf
H
f
W, Z
⇒ Higgs-Produktion durch Kopplung an W/Z-Bosonen oder Top-Quarks
Reaktionen nach Prinzip des LEGO-Baukastens
l−
q
W
W, Z
H
W, Z
W
q
ν̄l
νl
l+
֒→ Suche nach 2 Leptonen + fehlende Energie
+ 2 Jets
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 33
Die Suche nach dem Higgs-Boson
= Suche nach Stecknadel im Heuhaufen
Problem:
Stecknadel zerfällt zu Heu !
H
Lösung:
→
Große, komplexe Detektoren mit hoher Auflösung
für Teilchenspuren und Energien
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 34
Der ATLAS-Detektor
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 35
Der ATLAS-Detektor
Bilder der ATLAS-Montage
Das „Rad“ des Myon-Systems
Montage der „Endkappe“
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 35
Der ATLAS-Detektor
Simuliertes Higgs-Event der „einfachen“ Signatur H → ZZ → 2e2µ
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 35
Der CMS-Detektor
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 36
Der CMS-Detektor
Bilder der CMS-Montage
Hadronisches Calorimeter der Endkappe
Spurdetektor
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 36
Der CMS-Detektor
Simuliertes Higgs-Event der „einfachen“ Signatur H → ZZ → 2e2q
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 36
Der CMS-Detektor
Simuliertes Higgs-Event der „einfachen“ Signatur H → ZZ → 2e2q
Präzise Vorhersagen
erforderlich, sonst . . .
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 36
Ein Beispiel:
der Problemkanal pp → tt̄H(→ bb̄)
b̄
b̄
b
t̄
H
W−
p
l
ν̄l
p
W+
t
q̄ ′
q
b
Relevanz: Messung der tt̄H-Yukawa-Kopplung
֒→ wichtig für Verifikation des Higgs-Mechanismus
Probleme:
•
wenige Ereignisse
•
„Untergrund“ durch verwandte Reaktionen ohne Higgs: pp → tt̄bb̄, tt̄ + jets
Analyse ist Gegenstand aktueller Forschung:
•
Unterscheidung des Signals vom Untergrund durch kinematische Details
•
genauere Berechnungen des Untergrundes
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 37
Anmerkungen zur Präzisionsrechnung zu pp → tt̄bb̄
t
t̄
q
g
t
g
t̄
g
g
q̄
t
t
b
b
q̄
b̄
g
b
b̄
b
g
t̄
•
Zahlreiche Diagramme (> 1500) für Quantenkorrektur
•
Algebraische Komplexität
•
Komplizierte analytische Struktur
•
Effiziente numerische Auswertung
In der Praxis:
b̄
b̄
q̄
t̄
Projekte erfordern harte Team-Arbeit über viele Jahre !
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 38
Anmerkungen zur Präzisionsrechnung zu pp → tt̄bb̄
t
t̄
q
g
t
g
t̄
g
g
q̄
t
t
b
b
q̄
b̄
g
b
b̄
b
g
t̄
•
Zahlreiche Diagramme (> 1500) für Quantenkorrektur
•
Algebraische Komplexität
•
Komplizierte analytische Struktur
•
Effiziente numerische Auswertung
In der Praxis:
b̄
b̄
q̄
t̄
Projekte erfordern harte Team-Arbeit über viele Jahre !
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 38
Die Suche nach Neuer Physik“
”
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 39
Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen:
Fermionen
Bosonen
Eichwechselwirkung
Eichbosonen:
γ, Z, W± , g
Materie:
Quarks+Leptonen
Yukawa-Wechselwirkung
Higgs-Boson:
Selbstwechselwirkung
= exp. nicht verifizierter Teil
֒→ Klärung durch den LHC !
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 40
Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen:
Fermionen
Bosonen
Eichwechselwirkung
Eichbosonen:
γ, Z, W± , g
Materie:
Quarks+Leptonen
Exotische ν’s,
weitere Generationen ?
Yukawa-Wechselwirkung
Higgs-Boson:
Selbstwechselwirkung
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 40
Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen:
Fermionen
Bosonen
Eichwechselwirkung
Eichbosonen:
γ, Z, W± , g
Materie:
Quarks+Leptonen
Exotische ν’s,
weitere Generationen ?
Yukawa-Wechselwirkung
Higgs-Boson:
Selbstwechselwirkung
weitere oder „unsichtbare“ Higgs-Bosonen ?
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 40
Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen:
Fermionen
Bosonen
Erweiterung / Vereinigung ?
Eichwechselwirkung
weitere Eichbosonen: Z′ , W′ , X, Y
Eichbosonen:
γ, Z, W± , g
Materie:
Quarks+Leptonen
Exotische ν’s,
weitere Generationen ?
Yukawa-Wechselwirkung
Higgs-Boson:
Selbstwechselwirkung
weitere oder „unsichtbare“ Higgs-Bosonen ?
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 40
Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen:
Supersymmetrie ?
Fermionen
0
±
Bosonen
Sfermionen f˜
Neutralinos/Charginos χ̃ /χ̃
Erweiterung / Vereinigung ?
Eichwechselwirkung
weitere Eichbosonen: Z′ , W′ , X, Y
Eichbosonen:
γ, Z, W± , g
Materie:
Quarks+Leptonen
Exotische ν’s,
weitere Generationen ?
Yukawa-Wechselwirkung
Higgs-Boson:
Selbstwechselwirkung
weitere oder „unsichtbare“ Higgs-Bosonen ?
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 40
Das Standardmodell und mögliche Erweiterungen:
Supersymmetrie ?
Fermionen
0
±
Bosonen
Sfermionen f˜
Neutralinos/Charginos χ̃ /χ̃
Erweiterung / Vereinigung ?
Eichwechselwirkung
weitere Eichbosonen: Z′ , W′ , X, Y
Eichbosonen:
γ, Z, W± , g
Materie:
Quarks+Leptonen
Exotische ν’s,
weitere Generationen ?
Yukawa-Wechselwirkung
Higgs-Boson:
Selbstwechselwirkung
weitere oder „unsichtbare“ Higgs-Bosonen ?
+ mehr exotische Ideen . . .
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
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Supersymmetrie (SUSY) – Struktur und Phänomenologie
= Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen
SUSY-Partner
Standard-Teilchen
u
c
t
g
d
s
b
γ
νe
νµ
ντ
Z
e
µ
τ
W
H
⇐⇒
SUSY
c̃
t̃
g̃
d̃
s̃
b̃
γ̃
ν̃e
ν̃µ
ν̃τ
Z̃
ẽ
µ̃
τ̃
W̃
H̃
Squarks / Sleptonen / Gauginos / Higgsinos
|
{z
}
Gluino / Neutralinos / Charginos
Pro’s & Con’s:
•
ũ
Verdopplung des Teilchenhaushaltes
Aber: bislang kein experimenteller Hinweis auf SUSY-Partner
•
Kandidat für „Dunkle Materie“
•
„Große Vereinheitlichung“ erscheint natürlich
→ am LHC ?!
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
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SUSY und die Idee der Großen Vereinigung
„Große Vereinigung“:
Elmg., Starke und Schwache Kopplungen vereinigen sich bei hohen Energien µ
֒→ SUSY erlaubt Vereinigung in einem Punkt
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 42
Schlussbemerkungen
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 43
Grundlegende Erkenntnisse
•
„Symmetrie“ = mathematischer Schlüssel
zur Beschreibung der vier bekannten elementaren Wechselwirkungen
•
Standardmodell der Elementarteilchen (QCD & GSW)
beschreiben bekannte Phänomene sehr gut
֒→ Starke, Elektromagnetische & Schwache Kraft
durch Austausch von Eichbosonen
Aber: Hypothese des Higgs-Bosons
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 44
Grundlegende Erkenntnisse
•
„Symmetrie“ = mathematischer Schlüssel
zur Beschreibung der vier bekannten elementaren Wechselwirkungen
•
Standardmodell der Elementarteilchen (QCD & GSW)
beschreiben bekannte Phänomene sehr gut
֒→ Starke, Elektromagnetische & Schwache Kraft
durch Austausch von Eichbosonen
Aber: Hypothese des Higgs-Bosons
Welche Erkenntnisse kann der LHC bringen ?
•
Elementarer Wechselwirkungen bei 10mal kleineren Abständen
•
„Higgs“ oder „nicht Higgs“ !
•
Supersymmetrie ?
•
Neue Teilchen (z.B. Dunkle Materie) ?
•
„Extra-Dimensionen“, Hinweise auf Vereinigung mit Gravitation ?
•
Das Unerwartete ?!
Stefan Dittmaier, Physik der Elementarteilchen im Zeitalter des Large Hadron Colliders
Samstags-Uni, 16.1.2010 – 44
Grundlegende Erkenntnisse
•
„Symmetrie“ = mathematischer Schlüssel
zur Beschreibung der vier bekannten elementaren Wechselwirkungen
•
Standardmodell der Elementarteilchen (QCD & GSW)
beschreiben bekannte Phänomene sehr gut
֒→ Starke, Elektromagnetische & Schwache Kraft
durch Austausch von Eichbosonen
Aber: Hypothese des Higgs-Bosons
Welche Erkenntnisse kann der LHC bringen ?
•
Elementarer Wechselwirkungen bei 10mal kleineren Abständen
•
„Higgs“ oder „nicht Higgs“ !
•
Supersymmetrie ?
•
Neue Teilchen (z.B. Dunkle Materie) ?
•
„Extra-Dimensionen“, Hinweise auf Vereinigung mit Gravitation ?
•
Das Unerwartete ?!
⇒ 10–20 spannende Jahre Teilchenphysik am LHC !
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Samstags-Uni, 16.1.2010 – 44