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Auswertung von LEP-Daten (Large Electron Positron Collider) Prof. Dr. Thomas Trefzger Lehrstuhl für Physik und ihre Didaktik Universität Würzburg Lehrerfortbildung.

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1 Auswertung von LEP-Daten (Large Electron Positron Collider) Prof. Dr. Thomas Trefzger Lehrstuhl für Physik und ihre Didaktik Universität Würzburg Lehrerfortbildung Bad Honnef Juli 09

2 Vermittlung in der Schule Geschichte der Teilchenphysik (spannend !) Geschichte der Teilchenphysik (spannend !) Animationen, Lehr- und Lernmodule (vielfältig !) : Animationen, Lehr- und Lernmodule (vielfältig !) : Exkursion zum CERN, DESY (ein Erlebnis !) Exkursion zum CERN, DESY (ein Erlebnis !) Experiment (lehrreich !) Experiment (lehrreich !) Datenauswertung Datenauswertung

3 Bausteine der Materie: Quarks und Leptonen 0+2/3-1/3 LADUNG Strukturlose, fundamentale Teilchen: Alle Leptonen Teilchen mit innerer Struktur: Proton, Neutron,…. aufgebaut aus Quarks Stabile Materie: up- und down-Quark, Elektronen

4 Teilchen als Kraftvermittler Austauschteilchen sind die Quanten der Kraftfelder p p n np p p p n n p p n p n p

5 Das Standard-Modell der Teilchenphysik Beschreibt die fundamentalen Wechselwirkugen Beschreibt die fundamentalen Wechselwirkugen Starke Kraft (Kernkraft) Starke Kraft (Kernkraft) Schwache Kraft (Umwandlungsprozesse von Teilchen) Schwache Kraft (Umwandlungsprozesse von Teilchen) Elektromagnetische Kraft Elektromagnetische Kraft Gute Beschreibung aller bekannten Prozesse Gute Beschreibung aller bekannten Prozesse Zerfälle von Teilchen Zerfälle von Teilchen Innere Struktur nicht fundamentaler Teilchen Innere Struktur nicht fundamentaler Teilchen Systematik aller bekannten Teilchen Systematik aller bekannten Teilchen Beruht auf Symmetrie-Prinzipien Beruht auf Symmetrie-Prinzipien Sehr erfolgreiche physikalische Theorie Sehr erfolgreiche physikalische Theorie

6 Offene Fragen Das Standard-Modell der Teilchenphysik hat bis jetzt allen experimentellen Tests standgehalten. Dennoch ist vieles unverstanden: Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)? Woher kommt die Masse (Higgs-Teilchen)? Gibt es eine fundamentale Kraft? Gibt es eine fundamentale Kraft? Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde? Welche Symmetrie liegt unserer Welt zugrunde? Gibt es zusätzliche Dimensionen? Gibt es zusätzliche Dimensionen? Kennen wir alle Teilchen (Supersymmetrie)? Kennen wir alle Teilchen (Supersymmetrie)? Um Neues zu entdecken, muss man neue Dinge tun: Der Large Hadron Collider (Proton-Proton) mit den Experimenten ATLAS und CMS am Europäischen Forschungszentrum CERN in Genf

7 Arten von Collidern Elektron-Positron-Collider: Präzisionsmessungen Elektron-Positron-Collider: Präzisionsmessungen LEP, CERN in Genf bis 2000 LEP, CERN in Genf bis 2000 (bis 105 GeV pro Strahl) (bis 105 GeV pro Strahl) ILC (International Linear Collider) ab 2015(?) ILC (International Linear Collider) ab 2015(?) Elektron-Proton-Collider: Substrukturmessungen Elektron-Proton-Collider: Substrukturmessungen HERA, DESY in Hamburg, bis 2007 HERA, DESY in Hamburg, bis 2007 (e: 30 GeV, p: 920 GeV) (e: 30 GeV, p: 920 GeV) Hadron-Hadron-Collider: Enteckungsmaschinen Hadron-Hadron-Collider: Enteckungsmaschinen TEVATRON, FERMILAB in Chicago, bis 2010 TEVATRON, FERMILAB in Chicago, bis 2010 (900 GeV pro Strahl) (900 GeV pro Strahl) LHC, CERN in Genf (Large Hadron Collider, Proton-Proton) ab 2009 LHC, CERN in Genf (Large Hadron Collider, Proton-Proton) ab 2009 (7000 GeV pro Strahl) (7000 GeV pro Strahl)

8 Untersuchung der Sub- struktur des Protons Elektron Elektron Proton Proton Elektron Elektron Proton Quark-Jet Elektron Quark-Jet H1-Detektor Proton-Elektron Kollisionen bei HERA (DESY): Schwerpunktsenergie von 320 GeV entspricht einer Ortsauflösung von m Untersuchung der Protonstruktur

9 Messung der Elektroschwachen Vereinheitlichung Neutraler Strom: EM oder schwache Wechselwirkung Geladener Strom: Nur schwache WW

10 Messung der Vereinheitlichung Messung bei HERA am DESY Hamburg

11 Neue Teilchen enstehen...

12 Teilchenidentifikation feststellbare Teilcheneigenschaften: feststellbare Teilcheneigenschaften: – aus Quarks (Hadronen)? – Lepton ? – elektr. geladen / ungeladen – leicht / schwer – Impuls und Energie Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Zwiebelschalenartiger Aufbau verschiedener Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten Jede Teilchenart hinterlässt bestimmte Kombination von Signalen in den Komponenten

13 Detektorkomponenten: Myon-Spektrometer: Myon-Spektrometer: Toroid mit Driftröhren Energiemessung: Energiemessung: - Hadronisch - Hadronisch - Elektromagnetisch - Elektromagnetisch Spurerkennung : Spurerkennung : - Übergangsstrahlungs- Detektor - Übergangsstrahlungs- Detektor - Halbleiter-Detektor - Halbleiter-Detektor Teilchenidentifikation bei ATLAS

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18 ATLAS Kollaboration am LHC

19 ATLAS Management

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21 170 Unis/Institute aus 35 Ländern, 2200 Mitglieder

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25 ATLAS Myonspektrometer 5500 qm Fläche 5500 qm Fläche 1200 Präzisions- kammern 1200 Präzisions- kammern Driftrohre Driftrohre Positionierung auf 50 Mikrometer Positionierung auf 50 Mikrometer

26 ATLAS Trigger

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28 Herausforderung bei LHC p-p Kollisionen alle 25 Nanosekunden (40 MHz) p-p Kollisionen alle 25 Nanosekunden (40 MHz) Etwa 25 inelastische Ereignisse pro Kollision Etwa 25 inelastische Ereignisse pro Kollision Hohe Detektorgranularität (100 Millionen Kanäle) Hohe Detektorgranularität (100 Millionen Kanäle) Datenrate von 100 TByte/sec, etwa DVDs pro Sekunde ! Datenrate von 100 TByte/sec, etwa DVDs pro Sekunde ! Sehr effiziente Selektion in quasi Echtzeit Sehr effiziente Selektion in quasi Echtzeit Interessante Ereignisse: ~1 pro Sekunde Interessante Ereignisse: ~1 pro Sekunde

29 ATLAS Trigger Nicht alle Kollisionen sind interessant Nicht alle Kollisionen sind interessant Trigger muss in 2 Mikrosekunden entscheiden ! Eventuell interessante Ereignisse Eventuell interessante Ereignisse -> Abspeichern Mögliche Entdeckungen Mögliche Entdeckungen -> nur % Was wir suchen tritt nur bei jeder 10-Milliardsten Kollision auf !

30 Higgs Ereignis: Radiale Projektion

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32 Hands on Particle Physics Schüler/innen verbringen 1 Tag an der Universität Schüler/innen verbringen 1 Tag an der Universität Einführungsvorträge von Wissenschaftlern Einführungsvorträge von Wissenschaftlern Arbeit an echten Daten der Experimente Arbeit an echten Daten der Experimente Fundamentale Erkenntnisse aus eigenen Messungen (Z0- Zerfälle) Fundamentale Erkenntnisse aus eigenen Messungen (Z0- Zerfälle) 2009: 80 Institute, 23 Länder, 6000 Teilnehmer 2009: 80 Institute, 23 Länder, 6000 Teilnehmer Jährlich jeweils während 3 Wochen im März Jährlich jeweils während 3 Wochen im März 5 Masterclasses am Ende jedes Tages in Videokonferenz verbunden 5 Masterclasses am Ende jedes Tages in Videokonferenz verbunden

33 Masterclass CD online unter online unter Offline auf masterclass CD (Auflage 7000) Offline auf masterclass CD (Auflage 7000) Werbematerial für Öffentlichkeit und Schule Werbematerial für Öffentlichkeit und SchuleZIEL: Internationale Kollaboration von Schülern Internationale Kollaboration von Schülern Eigenes Erleben der Arbeitsweise in moderner Naturwissenschaft Eigenes Erleben der Arbeitsweise in moderner Naturwissenschaft Arbeiten wie Wissenschaftler an Originaldaten Arbeiten wie Wissenschaftler an Originaldaten

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35 Evaluation (Physics Education 42 (2007) Schwierigkeitsgrad genau richtig Schwierigkeitsgrad genau richtig Unabhängig von Vorwissen und Geschlecht Unabhängig von Vorwissen und Geschlecht

36 Erleben heutiger nat.wiss. Arbeitsweise erzeugt Interesse an (insbes. moderner) Physik

37 Zwiebelschalenstruktur OPAL ATLAS

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39 Prinzip

40 Untersuchung des Z-Bosons (LEP) Schweres Teilchen, zerfällt sofort Schweres Teilchen, zerfällt sofort Analogie zum Wassereimer: Analogie zum Wassereimer: Je mehr Löcher der Eimer hat, desto schneller ist er leer Je mehr Löcher der Eimer hat, desto schneller ist er leer Je größer das Loch ist, desto mehr Wasser fließt dadurch hinaus Je größer das Loch ist, desto mehr Wasser fließt dadurch hinaus Löcher entsprechen Zerfallskanälen Löcher entsprechen Zerfallskanälen

41 Aufgabe Betrachte Ereignisse mit Z-Zerfällen Betrachte Ereignisse mit Z-Zerfällen Entscheide, welcher Zerfall vorliegt Entscheide, welcher Zerfall vorliegt Messe Zerfallsverhältnis Messe ZerfallsverhältnisNeutrinos: Unsichtbar Unsichtbar Verlassen den Detektor und nehmen Energie mit Verlassen den Detektor und nehmen Energie mit Im Detektor fehlt Energie Im Detektor fehlt Energie

42 Elektronen/Positronen Geladen Geladen Spuren im Spurdetektor Spuren im Spurdetektor Schauer im elektromagnetischen Kalorimeter Schauer im elektromagnetischen Kalorimeter zerstört zerstört 1. Verlieren ihre gesamte Energie im el.mag. Kalorimeter 2. Impuls der geladenen Spur ist genauso groß wie Energie im el.mag. Kalorimeter (gleiche Farbe) 3. Kein Signal im hadronischen Kalorimeter oder Myonkammern

43 Myonen Geladen Geladen Spuren im Spurdetektor Spuren im Spurdetektor Energiedisposition überall Energiedisposition überall Verlassen den Detektor und zerfallen dann, da sie instabil sind Verlassen den Detektor und zerfallen dann, da sie instabil sind 1. Passieren den gesamten Detektor 2. Signal in der Spurkammer, sowie Energiedispositionen in beiden Kalorimetern 3. Signal in den Myonkammern

44 Quarks/Gluonen (bis auf top-Quark) Nicht einzeln messbar Nicht einzeln messbar Starke Kraft erzeugt viele Teilchen entlang der Flugrichtung des Quarks/Gluons Starke Kraft erzeugt viele Teilchen entlang der Flugrichtung des Quarks/Gluons Im Detektor sieht man Jets=Strahlen Im Detektor sieht man Jets=StrahlenJets Geladene und neutrale Hadronen Geladene und neutrale Hadronen Viele Spuren im Spurdetektor Viele Spuren im Spurdetektor Schauer (meist) in beiden Schauer (meist) in beidenKalorimetern Zerstört Zerstört Jet=Strahl von Hadronen Jet=Strahl von Hadronen

45 Hadronen 1. Kein Signal in den Myonkammern 2. Signal in der Spurkammer (meist) sowie Energiedisposition in beiden Kalorimetern

46 Jets (meist sehr viele Hadronen)

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48

49 Myon

50 Elektron

51 Hadron

52 Elektron

53 Myon

54 Hadron

55 Myon

56 Hadron

57 Elektron

58 Beispielzerfälle Z-Boson

59 Was ist das ?

60 Tau-Lepton Tau ist ein Herausforderung für Teilchenphysiker ! Tau ist ein Herausforderung für Teilchenphysiker ! Tau hat mehrere Möglichkeiten zu zerfallen, man sieht nur die Zerfallsprodukte, nicht das tau selbst Tau hat mehrere Möglichkeiten zu zerfallen, man sieht nur die Zerfallsprodukte, nicht das tau selbst Hauptmerkmal: Neutrinos -> fehlende Energie Hauptmerkmal: Neutrinos -> fehlende Energie Achtung: Der Z-Zerfall hat 2 Tau, die unabhängig voneinander zerfallen Achtung: Der Z-Zerfall hat 2 Tau, die unabhängig voneinander zerfallen

61 Z -> tau tau Summe der Spurimpulse Sump << 2 x Ebeam Summe der Spurimpulse Sump << 2 x Ebeam 4 Neutrinos tragen Energie aus dem Detektor 4 Neutrinos tragen Energie aus dem Detektor

62 Nur wenige Spuren Nur wenige Spuren Fehlende Energie Fehlende Energie

63 2 eindeutige Myonen, aber Summe der Spurimpulse 29.6 GeV << 170 GeV 2 eindeutige Myonen, aber Summe der Spurimpulse 29.6 GeV << 170 GeV

64 Z-> q q

65 Z -> mu mu

66 Z-> tau tau -> mu nu nu + h nu

67 Z -> e e

68 Z -> tau tau -> e nu nu + e nu nu

69 Z -> q q

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71 Messung Standardmodell macht Voraussagen über Häufigkeiten der Kanäle Standardmodell macht Voraussagen über Häufigkeiten der Kanäle Messung bei OPAL war wichtiger Test des Standardmodells Messung bei OPAL war wichtiger Test des Standardmodells WIR WIEDERHOLEN HEUTE DIESE MESSUNG WIR WIEDERHOLEN HEUTE DIESE MESSUNG 1000 Ereignisse auf der CD 1000 Ereignisse auf der CD 100 Ereignisse/Laptop 100 Ereignisse/Laptop Kombination der Ergebnisse Kombination der Ergebnisse


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