Suche nach dem Higgs und die Experimente am LHC

Präsentation zum Thema: "Suche nach dem Higgs und die Experimente am LHC"—  Präsentation transkript:

1 Suche nach dem Higgs und die Experimente am LHC
Sebastian Reinicke Seminar Astro- und Teilchenphysik WS 2008/09

2 Inhalt Experimente am LHC Higgs-Mechanismus
Alice LHCb Atlas CMS Higgs-Mechanismus Erwartete Produktion am LHC Erwartete Beobachtungen beim ATLAS/CMS

3 Experimente am LHC

4 LHC – Large Hadron Collider
Umfang 27km ~ 9600 Magnete pp Collider 7TeV /Beam Pb-Pb Collider 575TeV /Beam 600 Millionen Kollisionen /s 11245 Umläufe /s 1,1 * 10^11 p / Bunch Lum. =10 nb^-1 CMS LHCb Alise Atlas

5 Alice – A Large Ion Collider Exp.
Ziel: Erzeugung von Quark-Gluon-Plasma durch Kollision von p und Schwerionen Im QGP sind Quarks frei – normal gebunden (duo Meson, trio Baryon) Erforschen was die Quarks zusammen hält (QCD) 26m lang, 16m breit 16m hoch 10000t

6 LHCb – LHC Beauty Ziel: Teilchen mit b-Quarks erforschen
Interressieren sich vorallem für bestimmte Erhaltungssätze und die CP-Verletzung (C-charge, P-parity) 21m lang, 13m breit 10m hoch 5600t

7 Atlas – A Toroidal LHC ApparturS
Ziel: Nachweis des Higgs-Bosons Nachweis der Supersymmetrie 46m lang, 25m Durchmesser 7000t

8 CMS – Compact Muon Solenoid
Ziel: Wie ATLAS 21m lang 15m Durchmesser 12500t

9 Aufbau des CMS Detektors

10 LHC und Experimente

11 Higgs-Mechanismus

12 Higgs Mechanismus Frage: Warum haben die Elemetarteilchen unterschiedliche Massen? 1964 Peter Higgs postuliert skalares Hintergundfeld Higgsfeld Widerstand für Teilchen Trägheit Masse Kopplung über Higgs-Bosonen

13 Higgs-Comic sich leise unterhaltende Physiker füllen den Raum Higgshintergrundfeld berühmter Physiker betritt den Raum, jeder will sich mit ihm unterhalten berühmter Physiker wird beim durchqueren des Raumes behindert

14 Warum ist das Higgs so wichtig?
einfachste bekannte und experimentell konsistenteste Erklärung für die Masse der Eichbosonen Grundlegende Theorie erfordert Masselose Eichbosonen da sie sonst math. nicht Lösbar ist W- und Z- Bosonen haben große Massen Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher WW experimentelle Bestätigung vieler Eigenschaften Standardmodell gilt als gut abgesichert

15 Theoretische Berechnungen
Standardmodell muss modifiziert werden Eichtheorie spontane Symmetriebrechung

16 Modifizierung des SM Einführung eines komplexen selbstwechselwirkenden Potentials: global Eichinvariant mit erfüllt für Grundzustand Erwartungswert im Vakuum Wellengleichung: Beschreibt freies Teilchen der Masse Feld wird Antiteilchen zugeordnet

17 Modifizierung des SM spontane SB wenn Erwartungswert mit
System muss sich entscheiden unendlich viele Grundzustände z.B.:

18 Modifizierung des SM Eichsymmetrie im Grundzustand nicht realisiert
Ableitung der Wellengleichung ergibt 2 Teilchen Goldstoneboson mit Masse 0 und Higgs-Boson mit Masse Einführung der lokalen Eichtransformation im GSW-Modell wird der WW masseloser W-Bosonen und Fermionen V zugefügt Ф jetzt komplexes Isoduplett vier reelle Felder

19 Modifizierung des SM Rechnung ergab Teilchenspektrum von drei Vektorbosonen: und Higgs-Boson: was fehlt ist das Higgs-Boson

20 Erwartete Produktion am LHC

21 Suche nach dem Higgs-Boson
Bekannt: wird benötigt um Masse der Teilchen zu erklären keine Ladung ganzahligen Spin 0 Skalarboson mH > 112GeV bestätigt durch Messungen am LEP theoretische Obergrenze von 1TeV Massenabschätzung Fermilab (2006): 117GeV < mH < 153GeV (Messung der W-Bosonen-Masse)

22 Erzeugung der Higgs-Bosonen
Gluonfusion tt-Fusion Vektorbosonenfusion Quarks ergeben zwei Jets Event reduzierung des Hintergrundes

23 Wirkungsquerschnitt für Higgs Produktion
wird von Gluon-Gluon-Fusion dominiert zweit stärkster Anteil ist Vektorbosonenfusion

24 Zerfallskanäle für unterschiedliche H-Massen
Masse > 150GeV: Vektor-Bosonen dominieren Masse < 150GeV domineren, auch Photon- Leptonendzustände

25 Erwartete Detektion am ALTAS
Linien = detektierbar Rest mit Neutrinos = nicht direkt detektierbar einige hunderte bis 150GeV Bester Kanal schächer aber komplettes Spektrum

26 CMS – Simulationen von Zerfällen bei verschiedener H-Masse
GeV GeV 0,5-1 TeV

27 Erwartete Beobachtungen beim ATLAS/CMS

28 Signifikanz & Signale Ziel der Detektoren ATLAS und CMS - Sicherstellung das Higgs endeckt werden kann (100GeV-1TeV) Signalsignifikanz: (im Signalbereich) bestätigte Endeckung 2 hochpräzise Endeckungskanäle z.B. 120GeV Higgs in CMS

29 Signale Sehr klares Signal bei (ATLAS)
geringere Produktionsrate effektive Hintergrundunterdrückung Paar nur Nachweisbar bei tt-Fusion

30 Signale Ziel ist somit theoretisch erreicht
Higgs-Boson wird falls es exisitiert in dem Bereich von 100GeV-1TeV endeckt werden

31 Quellen Springer-Lehrbuch, Teilchen und Kerne
The European Physical Journal C - Particles and Fields

32 ENDE