HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik

Präsentation zum Thema: "HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik"—  Präsentation transkript:

1 HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik
Das LHC-Experiment Markus Kern HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik WS 2008/09

2 Inhalt Ein kurzer Überblick über den LHC Die Physik am LHC
Die Suche nach dem Higgsboson Supersymmetrie Der CMS-Detektor im Detail

3 Der Large Hadron Collider

4 Der LHC im Überblick 27 km Umfang 100 m unter der Erde
7 TeV pro Protonenstrahl Beschleunigung der p auf 99, % von c LHCb: Untersuchung der CP Verletzung in B- Mesonensystemen ALICE: Erzeugung und Untersuchung eines Quark-Gluonen-Plasmas

5 Beschleunigerrohr 15 m Länge 35 t Gewicht über 1000 Stück
Nb-Ti-Legierung supraleitend unter 10K Magnetfeld von 8,33 T bei 1,9 K A notwendig zum Aufbau des Magnetfelds

6 Stillstand des LHC Magnettest Sektor 3-4
Defekte elektrische Verbindung Lokale Erwärmung Supraleitung geht verloren Schäden an Kabeln, Rohren und Magneten Heliumaustritt Wiederinbetriebnahme voraussichtlich Juli 2009

7 Das Standardmodell Das Standardmodell ist eine Eichtheorie, die auf der Eichgruppe SU(3)Cx SU(2)W x U(1)Y beruht. Eichprinzip: Die Invarianz einer Gleichung, unter lokalen (ortsabhängigen) Phasentransformationen, erfordert die Existenz eines Vektorfeldes, das mittransformiert wird. Bsp: Lokale Transformationen bzgl. SU(3)C führen zur Existenz der Gluonenfelder. Eichprinzip setzt masselose Teilchen voraus. Experimente zeigen W‘s und Z haben Masse. Higgsmechanismus rettet Eichprinzip durch Einführung des Higgsfelds und des Higgsbosons.

8 Higgsproduktion

9 Wirkungsquerschnitte

10 Higgszerfall

11 Higgszerfall II

12 Probleme des Standardmodells
Das Eichproblem: Warum gibt es 3 unabhängige Eichgruppen? Ist nur eine Eichgruppe möglich? Das Parameterproblem: Es gibt mindestens 18 freie Parameter im SM. Können sie reduziert werden? Das Ladungsproblem: Warum sind die el. Ladungen von Elektron und Proton genau entgegengesetzt? Das Hierarchieproblem: Warum ist die schwache Skala so klein verglichen mit der GUT-Skala? Das Fine-Tuning-Problem: Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse sind viele Größenordnungen größer als die Masse selbst, daher müssen die Parameter des Higgspotentials unnatürlich fine-getunt werden.

13 Supersymmetrie Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen
SUSY Partner von Fermionen erhalten ein vorangestelltes „s“ Bei Bosonen ersetzt man die Endung „on“ durch „ino“ oder hängt ein „ino“ an Perfekte Symmetrie erfordert identische Particle- und Sparticlemassen Bisher keine Sparticles gefunden  SUSY ist eine gebrochene Symmetrie

14 Lösung des Eichproblems
Supersymmetrisches Modell erlaubt die Vereinigung der WW bei hohen Energien Im SM nicht möglich, da kein gemeinsamer Schnittpunkt vorhanden

15 Lösung des Fine-Tuning-Problems
Strahlungskorrekturen enthalten nun auch Superpartner, diese unterscheiden sich nur durch das Vorzeichen  Korrekturen heben sich gegenseitig auf

16 MSSM Das MSSM ist die kleinstmögliche Erweiterung des SM zu einem supersymmetrischen Modell Existenz einer neuen multiplikativen Quantenzahl „R-Parität“, Erhaltungsgröße im MSSM SM-Teilchen: R=+1 SUSY-Teilchen: R=-1 Konsequenzen: Das LSP ist stabil und damit ein Kandidat für dunkle Materie Sparticles können nur paarweise erzeugt werden Jedes schwerere Sparticle zerfällt in eine ungerade Anzahl von LSPs

17 Nachweis eines SUSY Ereignisses
Zerfallskette der Sparticles endet mit den LSPs, die mit dem leichtesten Neutralino identifiziert werden Ohne WW mit normaler Materie können LSPs aus dem Detektor entkommen Nachweismöglichkeit durch fehlende Energie

18 Der CMS-Detektor

19 Teilchenspuren im Detektor

20 Pixeldetektor 65 Millionen Pixel
3 zylindrische Schichten mit 4cm, 7cm und 10cm Abstand zum Teilchenstrahl Teilchen erzeugen beim Durchfliegen Elektronen-Loch-Paare  elektrische Signale

21 Streifendetektor 10 Lagen Siliziumstreifendetektoren Fläche über 200m2
Unterschiedliche Ausrichtung der Streifen erlaubt 3D Rekonstruktion der Teilchenspur

22 Karlsruher Beteiligung
8000 Sensoren wurden mit 2 selbstentwickelten automatischen Probestationen überprüft Über 100 Petals wurden gebaut Jedes Petal enthält ca. 20 Module mit ca Streifen

23 ECAL Szintillationskalorimeter
Besteht aus fast PbWO4 Kristallen. Kurze Strahlungslänge: X0=0,89cm Schnelle Reaktionszeit: 80% des Lichts werden in 25ns emittiert Geringe Lichtausbeute: 30γ/MeV

24 HCAL Die Absorber bestehen aus Messingplatten
Hohe Dicke des Absorbers notwendig, da Hadronen ihre Energie hauptsächlich durch starke WW mit den Kernen verlieren Die Detektoren sind Plastikszintillatoren bzw. Quarzfasern Schauerbildung komplizierter als im ECAL, da verschiedenste Sekundärteilchen entstehen können

25 Solenoid Der CMS Magnet
ist der größte supraleitende Magnet, der je gebaut wurde wiegt Tonnen ist mal stärker als das Erdmagnetfeld hat genug Energie um 18 Tonnen Gold zu schmelzen

26 Der Myonendetektor Verschiedene mit Gas gefüllte Driftkammern angepasst an die Myonenrate Durchgehende Myonen ionisieren das Gas Elektronen driften zu positiv geladenen Drähten Ort des Durchgangs lässt sich durch Messung der Driftzeit berechnen

27 Quellenverzeichnis Peter Schmüser: Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker. Berlin, Heidelberg 1995. Rabindra N. Mohapatra: Unification and Supersymmetry. The Frontiers of Quark-Lepton Physics. New York, Berlin, Heidelberg 2003. David Griffiths: Introduction to Elementary Particles. Weinheim 2008. W. de Boer, A. Sopczak, S. Kappler: Experimentelle Teilchenphysik. Karlsruhe 1999. W. de Boer: Grand Unified Theories and Supersymmetry in Particle Physics and Cosmology. hep-ph/ Stephen P. Martin: A Supersymmetry Primer. hep-ph/ Gianfranco Bertone, Dan Hooper, Joseph Silk: Particle dark matter: evidence, candidates and constraints. In: Physics Reports 405 (2005) 279–390. Gunnar Klämke: Higgs plus 2 Jet Produktion in Gluonfusion. Karlsruhe 2008. D. Acosta, A. De Roeck, U. Gasparini u. a.: CMS Physics, Technical Design Report, Volume I: Detector Performance and Software. CERN 2006. A. De Roeck, M. Grünwald, J. Mnich u. a.: CMS Physics, Technical Design Report, Volume II: Physics Performance. CERN 2006.

28 Quellenverzeichnis II
Die Zahlen in eckigen Klammern geben die Foliennummer an. [3] [4] [5] / / _01/ _01-A5-at-72-dpi.jpg [6] 026_ jpg [8] [9] [10] [11]oben links unten links oben rechts unten rechts [14] [15] Hqmc-vector.svg.png

29 Quellenverzeichnis III
[17] [18] [19] [20] links rechts Resources/Website/Detector/Tracker/Pixelement.gif [21] links rechts [22] oben unten [23] links /talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 31 rechts [24] Folie 32 [25] [26] Website/Detector/Muons/DT.gif