Hochenergiephysik bei HERA H1 und ZEUS Thomas Schörner-Sadenius Uni HH, 18. September 2003 Fortgeschrittenenpraktikum.

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1 Hochenergiephysik bei HERA H1 und ZEUS Thomas Schörner-Sadenius Uni HH, 18. September 2003 Fortgeschrittenenpraktikum

2 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 2 Übersicht Beschleuniger Grundlagen der Physik bei HERA Warum ist HERA-Physik spannend? HERA + Physik Studenten @ HERA H1 und ZEUS Übersicht über die Experimente Internationalen Kollaborationen Der Upgrade: HERA II Warum Diplomarbeit in HEP? Bei HERA? Was kann man als Diplomand tun? –Physik, Hardware, Software

3 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 3 Das DESY-Umfeld Derzeit 920-GeV-Protonen auf 27.5-GeV-Positronen.

4 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 4 Elektron-Proton-Streuung E e = 27.5 GeV E p = 920 GeV [before 1998: 820 GeV] Tiefunelastische Streuung (DIS): Q 2 > 0 GeV 2. Photoproduktion: Q 2 = 0 GeV 2 p=xP P Q 2 =-q 2 =-(k-k’) 2 Proton k’(e ±, )k Lepton (e ± ) y=Q 2 /sx: Inelastizität [s=Schwerpunktsenergie] x=Q 2 /2Pq: Anteil des Quarks am Protonimpuls (Bjorken-x) Q 2 : Viererimpuls-Transfer [Auflösung ~1/Q] ,Z,W

5 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 5 Ein typisches Ereignis in H1 H1-NC-DIS-Ereignis [Q 2 =4E e E e ’cos 2 (  /2)] Gestreutes e ± Gestreutes Quark Proton Lepton  Spurkammern Kalorimeter  EM und schwache WW  Struktur des Protons  QCD  Neue Physik

6 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 6 Dynamik im Proton unter der Lupe F 2 beschreibt dynamische Struktur des Protons Q 2 : (Impulsübertrag) 2 von e auf p [ ~1/Q] [ QPM: F 2 (x) =  e q 2 xq(x) ] Elektron Proton (Q2)(Q2) x Hohe Energie: ep-Streuung ~ eq-Streuung! HERA: Ideales Labor zur Untersuchung der Partondynamik im Proton.

7 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 7 Die Struktur des Protons kleine x: mittlere x: Scaling!!! grosse x: Spannend: - Beschreibt Theorie die Daten? - Welche Präzision brauchen wir, um am LHC Physik zu machen? [x: Impulsanteil des Gestreuten Quarks am Protonimpuls]

8 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 8 Die Protonstruktur – PDFs* *PDF = parton distribution function Beachte den Unterschied zwischen Valenz- und Seequarks und Gluonen! Die Angabe von (sinnvollen) Fehlern ist noch sehr neu!

9 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 9 Elektroschwache Theorie Generell  (e - ) >  (e + ) [positiver (negativer) Beitrag des Z 0 in e - p (e + p)] Q 2 gross  (NC) =  (CC) [Elektroschwache Ver- einheitlichung] Alle Wirkungsquerschnitte von der Theorie beschrieben!

10 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 10 Die starke Weckselwirkung: QCD BGF: Boson- Gluon-Fusion QCD-C: QCD- Compton-Events … die nächste Ordnung … s!s! Transversale Energie der Jets

11 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 11 Besonders nett:  s  s ist der fundamentale Parameter der QCD (wie  EM im Falle der QED).

12 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 12 Physik schwerer Quarks I “Open charm production” D* s+s+ ++ K-K- D0D0 “Golden D* decay” Rest x

13 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 13 Physik schwerer Quarks II Erstes Mal Daten durch Theorie beschrieben? Beauty-Wirkungs- querschnitte nicht verstanden? Methoden: p T,rel, Impakt-Parameter, (stat. Trennung)

14 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 14 Die Suche nach neuer Physik Zweifach geladene Higgs-Bosonen: e +   e - H ++ [Ladungsvorzeichen des Leptons wechselt; 3 Leptonen im Endzustand] RP-verletzende SUSY: z.B. ed  gravitino Leptoquarks: eq  eq [Resonanzen in inv. Masse; ~high-Q 2 -DIS mit e+Jet] Finden wir Physik jenseits des Standard-Modells? Neue Wechselwirkungen?

15 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 15 Übersicht Beschleuniger Grundlagen der Physik bei HERA Warum ist HERA-Physik spannend? HERA + Physik Studenten @ HERA H1 und ZEUS Übersicht über die Experimente Internationalen Kollaborationen Der Upgrade: HERA II Warum Diplomarbeit in HEP? Bei HERA? Was kann man als Diplomand tun? –Physik, Hardware, Software

16 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 16 H1 und ZEUS Internationale Kollaborationen mit Beteiligung von ca. 300-400 Physikern aus 14 Ländern und 59 Instituten (ZEUS). Teilchendetektoren in den Hallen Nord (H1) und Süd (ZEUS) des HERA-Rings. –Vielzweckapparate (Messung von Energien und Impulsen einer Vielzahl von Teilchen über fast 4 . –Asymmetrischer Aufbau, da Schwerpunkt gegenüber dem Labor bewegt ist. –Datennahme seit 1992; Betrieb bis 2006/7 geplant. [Anmerkung: Es gibt zur Zeit nicht viele laufende HEP- Experimente!]

17 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 17 Vom Experiment zur Messung Beschleuniger Kollision im Detektor Ausleseelektronik Datenanalyse Interpretation Neue Fragen

18 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 18 Der Upgrade HERA I  HERA II HERA I: e + p-Streuung: 100 pb -1 e - p-Streuung: 15 pb -1 HERA II: Ziel: 1000 pb -1 bis 2006 [Verbesserte Suche nach neuer Physik; höhere Präzision bei vielen Messungen (hohe Q 2 ).] Soll erreicht werden durch bessere Strahlfokussierung (Faktor 5 höhere Ereignisrate). Ausserdem: Polarisation der Strahlen  schwache WW).

19 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 19 Der Upgrade am Beispiel von H1 GQ and GG sind Magneten, die der besseren Fokussierung dienen sollen. Ihr Einbau - braucht Platz - bringt starke Magnetfelder in die Detektoren Viele zentrale Detektor- Komponenten sind direkt betroffen oder werden aus anderen Gründen um/aufgebaut.

20 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 20 ZEUS-MVD I Zeus hat einen neuen Silikon-Mikrovertex-Detektor eingebaut, der der genauen Spurmessung am WW-Punkt dienen soll. Stossrichtung: Physik schwerer Quarks! Der MVD wird gerade in Betrieb genommen.

21 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 21 ZEUS-MVD II

22 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 22 Übersicht Beschleuniger Grundlagen der Physik bei HERA Warum ist HERA-Physik spannend? HERA + Physik Studenten @ HERA H1 und ZEUS Übersicht über die Experimente Internationalen Kollaborationen Der Upgrade: HERA II Warum Diplomarbeit in HEP? Bei HERA? Was kann man als Diplomand tun? –Physik, Hardware, Software

23 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 23 Diplomarbeit: Warum Teilchenphysik? Physik, Detektoren, Computing  Fundamentale Fragen, moderne Technologien  Präzise Messungen Internationale Kollaborationen  Teamarbeit in kleiner Gruppe  enge Betreuung, relevante Ergebnisse Meetings, Vorträge, Schulen, Konferenzen In Forschung, Wirtschaft, Industrie Vielseitige Umgebung Gute Zukunfts- Perspektive Kommuni- kation

24 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 24 Diplomarbeit: Warum HERA?  Alle Aspekte experimenteller Teilchenphysik Interessante Ergebnisse, Potential lange nicht ausgeschöpft!  HERAII-Daten mit Spannung erwartet!!! Relevant für zukünftige Experimente (LHC!). Hardware und Software nicht nur entwickeln, sondern unter teilweise harten Bedingungen benutzen Technik oft an der Entwicklungsfront: Halbleiter-Detektoren, Elektronik, OO- Software. Laufende Experimente Technik Bisherige Daten

25 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 25 Als Diplomand … …kann man …muss man …soll man … eigentlich alles machen: - Physikanalyse von HERA-Daten [bahnbrechende Ergebnisse kann man aber nicht versprechen ;-) ] - Hardware-Entwicklung [einiges im Zusammen- hang mit dem Upgrade ist noch zu tun] - Software-Entwicklung [z.B. H1-00-Projekt] - spezifische Interessen können i.A. leicht berücksichtigt werde - sich umschauen - sich qualifizieren - und Spass haben. - sich eine Gruppe / einen Betreuer aussuchen - in 12 Monaten fertig sein.

26 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 26 Themen (locker assoziiert) Inbetriebnahme des ZEUS-MVD (ZEUS) Inbetriebnahme des Forward Trackers (ZEUS) Inbetriebnahme des Fast Track Triggers (H1) Inbetreibnahme der neuen Lumi-Systeme Entwicklung objektorientierter Software (H1) Analyse von Ereignissen mit schweren Quarks Suche nach neuer Physik (Supersymmetrie) Messung der PDFs bei hohen x in Jet-Ereignissen

27 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 27 Diplomarbeit ist anders … … als das Studium! Stark arbeitsteilige Organisation der Arbeit in kleinen Teams Experimenteller Ansatz [eine gewisse Frustrationstoleranz ist nötig ;-) ] Anwendung von Software/Computing –Zur Analyse grosser Datenmengen –Zur Simulation / Lösung komplexer Probleme Programmierkenntnisse vorteilhaft aber nicht zwingend [Fortran, C, C++] Interesse an Teilchenphysik [Theorie, Modelle, Nachweis]!

28 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 28 “Physics hands-on”.. Falls Ihr in den Ferien oder auch sonst noch etwas Luft habt: Mitarbeit für einige Wochen in der ZEUS/CMS-Gruppe von Prof. Peter Schleper Beispiele für Themen: Suche nach rechtshändigen W-Bosonen Harte Photonen als Proton-Probe Untersuchung der HERA-Kinematik bei hohen x Erste Alignment-Studien für CMS Termine: flexibel Vorkenntnisse: Vordiplom Peter Schleper Geb. 67b, Raum 24 Tel.: 040/89982957 Peter.Schleper@desy.de

29 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 29 Kontakte.. Und jeder Diplomand oder Doktorand bei H1 und ZEUS! ZEUS [http://www-zeus.desy.de] H1 [http://www-h1.desy.de] - Prof. R. Klanner, Tel. 8998-3023, 1c/379, Robert.Klanner@desy.deRobert.Klanner@desy.de - Prof. P. Schleper, Tel. 8998-2957, 67b/24, Peter.Schleper@desy.dePeter.Schleper@desy.de - Dr. T. Schörner-Sadenius, Tel. 8998-2954, 67b/5, Thomas.Schoerner@desy.de Thomas.Schoerner@desy.de - Prof. B. Naroska, Tel. 8998-3804, 1c/282, Beate.Naroska@desy.deBeate.Naroska@desy.de - Dr. Andreas Meyer, Tel. 8998-3136, 1c/267, Andreas.Meyer@desy.de Andreas.Meyer@desy.de

30 18. September 2003TSS: H1 und ZEUS 30 Zusammenfassung betreibt relevante und interessante Physik - Vermessung des Protons; EM, EW, QCD - Suche nach neuer Physik - Vorbereitung auf pp-Physik bei LHC HERA Bis 2007 werden Physiker gesucht, die - Daten auswerten - die Detektoren mitbetreiben [Schichten, Verantwortung für Komponenten] - die Arbeit in einer internationalen Kollaboration geniessen [Qualifikation!]. Chance In Analyse, Hardware und Software und im Umgang in der Kollaboration werden wichtige Fertigkeiten vermittelt.