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Die neuen großen Beschleuniger und ihre Schlüsselrolle -Der Large Hadron Collider LHC - Die Fragestellungen Der Large Hadron Collider Die Experimente Die.

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Präsentation zum Thema: "Die neuen großen Beschleuniger und ihre Schlüsselrolle -Der Large Hadron Collider LHC - Die Fragestellungen Der Large Hadron Collider Die Experimente Die."—  Präsentation transkript:

1 Die neuen großen Beschleuniger und ihre Schlüsselrolle -Der Large Hadron Collider LHC - Die Fragestellungen Der Large Hadron Collider Die Experimente Die Antworten: das Physikpotenzial Karl Jakobs Institut für Physik Universität Mainz

2 1. Was ist der Ursprung der Masse ? - Existiert das Higgs Teilchen ? - Falls nein, wie sonst erhalten die Teilchen ihre Masse ? 2. Gibt es eine Universalkraft als gemeinsame Urkraft der verschiedenen Kräfte ? 3. Gibt es bisher unbekannte Formen von Materie ? - Ist unsere Welt supersymmetrisch ? - Besteht die dunkle Materie aus dem leichtesten supersymmetrischen Teilchen ? 4. Gibt es zusätzliche Raumdimensionen ? Wichtige offene Fragen der Teilchenphysik Die Schlüsselrolle des Large Hadron Colliders: Entdeckungsmaschine im Energiebereich von LEP/Tevatron bis zu einigen TeV Antworten auf einige dieser Fragen werden auf der Energieskala bis 1 TeV erwartet !

3 Proton-Proton Beschleuniger im LEP-Tunnel am CERN p p 7 TeV 7 TeV - Höchste Energien pro Kollision - Bedingungen wie zu Zeiten von s nach dem Urknall Der erste Schritt in das TeV-Neuland der physikalischen Grundlagenforschung Vier geplante Experimente: ATLAS, CMS (pp-Physik) LHC-B (Physik der b-Quarks) ALICE (Pb-Pb Kollisionen) Gebaut in einer internationalen Kollaboration aus 34 Ländern Geplante Inbetriebnahme: 2007 Der Large Hadron Collider (LHC)

4 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Wichtige Komponenten des Beschleunigers S upraleitende Dipolmagnete halten die hochenergetischen Teilchen auf der Kreisbahn - größte Herausforderung: Magnetfeld von 9 Tesla - insgesamt 1300 Stück, jeweils 15 m lang - Betrieb bei einer Temperatur von 1.9 K Acht supraleitende Beschleunigerstrukturen Beschleunigungsfeld von 5 MV/m Tests einer vollen LHC-Zelle erfolgreich durchgeführt LHC: die größte supraleitende Anlage der Welt

5 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Proton-Proton Kollisionen am LHC Proton – Proton: 2835 x 2835 Pakete (bunches) Abstand: 7.5 m ( 25 ns) Protonen / bunch Kreuzungsrate der p-Pakete: 40 Mio. mal / sec. Luminosität: L = cm -2 sec -1 Proton-Proton Kollisionen: ~10 9 / sec (Überlagerung von 23 pp-Wechselwirkungen während einer Strahlkreuzung) ~1600 geladene Teilchen im Detektor hohe Teilchendichten hohe Anforderungen an die Detektoren Gelöst in Forschungs- und Entwicklungsprojekten

6 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Produktionsraten am LHC Inelastische Proton-Proton Reaktionen: 1 Milliarde / sec Quark -Quark/Gluon Streuungen mit ~100 Millionen/ sec großen transversalen Impulsen (> 20 GeV) b-Quark Paare 5 Millionen / sec top-Quark Paare 8 / sec W e 150 / sec Z e e 15 / sec Higgs (150 GeV) 0.2 / sec Gluino, Squarks (1 TeV) 0.03 / sec Interessante Physikprozesse sind selten: hohe Strahlintensität des Beschleunigers, extrem gute Detektoren (Unterdrückung des Untergrundes)

7 Proton -Proton Kollisionen Leptonen mit großem Impuls im Endzustand: interessante Physik ! Beispiel: Higgs Produktion und Zerfall Wichtige Signaturen: Leptonen und Photonen Fehlende transversale Energie p p q q q pp q q q q H WW Keine Leptonen/Photonen im Anfangs- und Endzustand Quark-Quark Streuung: q

8 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Untergrundunterdrückung: Rekonstuktion von Objekten mit großem Impuls

9 Das ATLAS Experiment Bonn, Dortmund, Freiburg, Heidelberg Mainz, Mannheim, LMU München, MPI München, Siegen, Wuppertal Solenoidmagnetfeld (2T) im inneren Bereich (Impulsmessung) Hochauflösende Halbleiterdetektoren: - 6 Mio. Kanäle (80 m x 12 cm) -100 Mio. Kanäle (50 m x 400 m) Ortsauflösung: ~ 15 m Energiemessung bis 1 o an die Strahlachse Unabhängiges Myon Spektrometer (supraleitendes Toroidsystem)

10 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov ATLAS Detektorkonstruktion

11 Das CMS Experiment Solenoidmagnetfeld (4T) im inneren Bereich (Impulsmessung) Wird gleichzeitig zur Vermessung der Myonen benutzt Hochauflösende Halbleiterdetektoren - 9,7 Mio. Kanäle, 210 m 2 Energiemessung in Blei-Wolframat Kristallen (ausgezeichnete Auflösung für Photonen) Aachen, Karlsruhe

12 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov CMS Detektorkonstruktion

13 Die Suche nach dem Higgs Teilchen Wichtige Zerfälle zum Nachweis am LHC: H Z Z (der goldene Kanal) H

14 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov ATLAS

15 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Der gesamte erlaubte Massenbereich von der LEP-Grenze (~114 GeV) bis zur theoretischen Obergrenze von ~1000 GeV kann abgedeckt werden ! Falls das Higgs Teilchen existiert, wird es am LHC entdeckt werden ! Entdeckung p > %

16 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Am LHC können erste Messungen der Eigenschaften des Higgs-Bosons durchgeführt werden Massenbestimmung mit einer Genauigkeit von ~ 0.1 % Erste Bestimmung von Verhältnissen von Kopplungskonstanten (Genauigkeit: 10-20%) Präzise Vermessung der Absolutwerte der Kopplungen TESLA

17 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Auch ein supersymmetrischer Higgs Sektor kann abgedeckt werden h,A,H,H h,H h h,A,H H,H h,H,H h,H Falls supersymmetrische Teilchen existieren, werden mindestens fünf Higgs-Teilchen erwartet Über weite Bereiche des Parameterraums können mehrere dieser Higgs-Teilchen entdeckt werden

18 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Sollte das Higgs-Teilchen nicht existieren, müssen am LHC Anzeichen einer neuen Wechselwirkung sichtbar werden Der beste Test: Untersuchung der Streuung von W-Bosonen, die dann im Energiebereich von ~ 1 TeV stark wechselwirken müssen Nachweis von Resonanzen, die in Vektorbosonen zerfallen (ZW, Z, ….) LHC: Sensitivität für Massen bis ~ 1.5 TeV Starke WW-Streuung unterhalb der Resonanzregion TESLA

19 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Die Suche nach Supersymmetrie (SUSY) Falls supersymmetrische Teilchen mit Massen unterhalb von ~ 3 TeV existieren, können sie am LHC entdeckt werden Die Squarks und Gluinos werden als Partnerteilchen der Quarks und Gluonen in starker Wechselwirkung erzeugt (hohe Raten) q p p g q SUSY-Teilchen zerfallen in Kaskaden in das leichteste SUSY Teilchen ( Neutralino, Kandidat der dunklen Materie, verlässt den Detektor ohne Wechselwirkung) Signatur: fehlende Energie

20 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Monat: Masse ~ 1.5 TeV 1 Jahr: Masse ~ 1.9 TeV 3-4 Jahre: Masse ~ 2.5 TeV LHC-Reichweite für Squark- und Gluinomassen: Evidenz für Squarks u. Gluinos

21 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Zur Bestimmung von Modellparametern: Weitere Suche nach Leptonen (e,, ), Photonen und b-Quark Jets in SUSY Ereignissen Beispiele: h 0 1 bb Die vollständige Bestimmung der SUSY-Parameter ist schwierig Endpunkt: M = M( 0 2 ) - M( 0 1 ) Direkte Messungen von Massen der Sleptonen und Neutralinos an einem e + e - Beschleuniger sind wesentlich !

22 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Weitere Neue Physik am LHC ? Beispiel: Zusätzliche Raumdimensionen M D max = 9.1, 7.0, 6.0 TeV für = 2, 3, 4 Ausdehnung: 10 -5, , m : # neuen Dimensionen M D = Skala der Gravitation R = Radius (Ausdehnung) Die LHC-Detektoren sind auch gerüstet, neue unerwartete Physik zu entdecken !

23 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Das LHC-b Experiment Experiment zur Erforschung der CP-Verletzung im System der B-Mesonen Hohe Ereigniszahlen: bb-Paare pro Jahr Wichtige Präzisionsmessungen Dresden, Heidelberg MPI Heidelberg

24 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Das ALICE-Experiment Extreme Energiedichten (100 mal größer als in Kernmaterie) Ziel: Untersuchung eines neuen Materiezustands: Quark-Gluon Plasma TU Darmstadt, GSI Darmstadt, Frankfurt, Heidelberg, Münster Kollisionen von Blei – Kernen:

25 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov Zusammenfassung LHC ist eine Entdeckungsmaschine, die den physikalisch interessanten Energiebereich von ~3 TeV erforscht Die Fragen nach der Existenz des Higgs-Teilchens und supersymmetrischer Teilchen können geklärt werden. Auch für weitere neue Phänomene bieten die Experimente ein großes Entdeckungspotenzial. Von LHCb und ALICE sind große Fortschritte in der Physik der b-Quarks bzw. in der Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas zu erwarten. Die großen technischen Herausforderungen sind in Forschungs- und Entwicklungsprojekten gelöst worden. Die Fertigstellung des Beschleunigers und der Experimente sowie richtungsweisende Entdeckungen werden mit Spannung erwartet.

26 K. Jakobs Symposium:Teilchenphysik in Deutschland, Bonn, Nov. 2002

27 Suche nach Quarks und Gluinos Charakteristische Signatur der Squark- und Gluinoproduktion im Detektor: mehrere Jets und fehlende Energie Beispiel: SUSY Modell mit Squarks und Gluinos mit einer Masse von 1.5 TeV Standard- modell Deutliche Signatur: Partnerteilchen von Quarks und Gluonen können am LHC nicht übersehen werden Die Form des Spektrums ist sensitiv auf die Massen der SUSY-Teilchen


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