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8 Juni 04 1 1.Die Bausteine der Welt + ihre Wechselwirkungen Das Standard-Modell der Teilchenphysik Grosse Vereinigung, Super-Symmetrie, Super-Strings.

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3 1.Die Bausteine der Welt + ihre Wechselwirkungen Das Standard-Modell der Teilchenphysik Grosse Vereinigung, Super-Symmetrie, Super-Strings 2.HERA: Maschine + Experimente 3.HERA Resultate Quarks und Gluonen Wie stark ist die starke Kraft ? Elektro-schwache Vereinigung Grosse Vereinigung, Super-Symmetrie, Extra Dimensionen 4.Auf dem Weg zur Ur-Kraft LHC bei CERN Higgs-Suche TESLA SUSY-Suche

4 8 Juni 04 3 Und Gott sprach: Es werde Licht !

5 4

6 5 Und es ward Licht.

7 6 Und Gott sprach: Es werde Materie ! Und es ward Materie. t b c d s u

8 7 Und Gott sprach: Es werde Kraft ! Und es ward Kraft. W + W - Z 0 g G

9 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni 04 8 QUARKSLEPTONEN Neutrinos Elektronen

10 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni 04 9

11 10MATERIEFERMIONENQUARKSLEPTONENKRAFTBOSONEN

12 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni TEILCHEN Ladung Symmetrie Materie-Teilchen Fermionen J=1/2 Up Quarks Down udud cscs tbtb Elektronen Leptonen Neutrinos e Kraft-Teilchen Bosonen J=1 Photon schwache Bosonen W +, Z 0, W - Z0Z0 W±W± Gluonen 8 g ij Graviton (J=2) GG KRÄFTE ELEKTRO MAGNET SCHW ACH KERN- KRAFT GRAVI- TATION ElektrischSchwachFarbeMasse U(1)SU(2)SU(3) +2/3 -1/3 r g br g b 0

13 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Und Gott sah, was er gemacht hatte. Und siehe: es war gut. Und er ruhte am siebten Tag. Standard-Modell DER DER Elementarteilchen Elementarteilchen UND IHRER UND IHRER Wechselwirkungen Wechselwirkungen

14 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Wir aber stellen viele FRAGEN :

15 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni QUARK - SYMMETRIE ? LEPTON - 3 FAMILIEN ? BARYON - ZAHL ? ZAHL ? LEPTON -

16 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Lepto- Quark Elektron

17 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Big Bang 100 GeV s s GeV s GeV

18 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni W ±0 g ij BOSONEN W ±0 g ij BOSONEN X,Y X,Y elm. schwach stark U(1)SU(2) SU(3) SU(5) SYMMETRIEN U(1) SU(2) SU(3) SU(5) SYMMETRIEN { e - e, d r d g d b } L __ {5} MULTIPLETT Lepton Lepto- Quark Quark Q X = 4/3 Q Y = 1/3 HERA Proton-Zerfall

19 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Quark-Lepton-Symmetrie: Quarks + Leptonen in ein Multiplett Quantisierung der elektr. Ladung: N C Q q – Q e = 0 = 3 x 1/3 – 1 bzw. Q p = Q e Vorhersage für elektro-schwachen Mischungswinkel : sin 2 W (M X ) = g 2 / (g 2 +g 2 ) = 3/5 / (1+3/5) = 3/8 sin 2 W (M Z ) = 0.20 GUT sin 2 W (M Z ) = 0.22 Expt. Leptonzahl-Verletzung: Neutrino-Massen u. -Oszillationen: Baryonzahl-Verletzung: Proton-Zerfall : pe + 0 p ~ M X 4 / 2 m p 5 Super-K 1998: (pe + 0 ) > 5·10 33 a (pK + ) > 1.6·10 33 a Hyper-K 201x+10: (pe + 0 ) > a (pK + ) > 3 ·10 34 a SUSY GUT: M X ~ GeV : (pe + 0 ) ~ 10 35±1 a (pK + ) ~ 10 32±3 a { e - e, d r d g d b } L

20 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni electron selectron quark squark photon photino vereinigt Bosonen mit Fermionen Kraft mit Materie FermionBosonBosonFermion

21 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni 04 20

22 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni vereinigt Kräfte und Kopplungen m Pl M X ~ GeV p ~ a M X ~ GeV p ~ a ändert Energie-Abhängigkeit der Kopplungen: ein Vereinigungs-Punkt bei M X = 2·10 16 GeV ! Proton-Lebensdauer > exptl. Limit Neutralino H 1,2 ): leichtestes SUSY-Teilchen Dunkle Materie im Universum ! verbindet kontinuierl. Raum-Zeit-Symmetrie mit Spin-Statistik + Symmetrien U(1) SU(2) SU(3) SU(5), SO(10), E(6),... Eichfelder lokaler SUSY: Graviton (J=2) + Gravitino (J=3/2) Super-Gravitation ! Higgs Strahlungskorrekturen stabil

23 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Leptonen Quarks Masse / GeV WMAP, KATRIN, 0 QuarksQI3I3 BL udud cscs tbtb +2/3 -1/3 +1/2 -1/2 1/30 Leptonen e - e /2 +1/2 01

24 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni dimensional ? Ist die Welt 2-dimensional... 3-dimensional... Nur unsere 4 Dimensionen sind nach dem Urknall expandiert. Die anderen 6 bleiben eingerollt. Elementarteilchen = String-Anregungen ? String-Radius ? Planck-Länge = (ħG N /c 3 ) 1/2 = m ?

25 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni M KK Energie Stärke 3 D Gravitation (3+N) D Gravitation Torsions-Pendel Eöt-Wash Gruppe 2000, Univ. Washington, Seattle Brane-Theorien (Arkani-Hamed, Dimopoulos, Dvali, 1998,99) elm., starke + schwache Kraft agieren auf (3+1) Brane N extra Dimensionen kompaktifiziert mit Radius R nur Gravitation breitet sich in den Extra Dimens. aus Modifikation des Newton-Gesetzes : F ~ G N / r 2 ~ 1 / M Pl 2 r 2 ~ 1 / M KK 2+N r 2+N G N, M Pl... nur effektive Konstanten R, M KK... neue, fundamentale Planck-Länge, Masse M 2 Pl ~ G N -1 ~ (10 19 GeV) 2 ~ R N M KK N+2 große Vereinigung = Schwerkraft wird stark schon auf elektroschwacher Skala : M KK = 1 TeV : N=1 R ~ 10 9 km N=2 R ~ 1 mmEöt-Wash: 1/r ok bis 0.2 mm... N=6,7 R ~ 10 fmneue Planck- Länge

26 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Elektronen 27.6 GeV Protonen 920 GeV H1 ZEUS

27 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni km6km

28 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni 04 27

29 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni 04 28

30 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni 04 29

31 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Q 2 = - q 2 = - (k - k) 2 Quadrat des Viererimpuls-Übertrags Rutherford 1911: Photon-Propagator d / dQ 2 = 4 2 / Q 4 d / dcos( ) = 2 / 2E 2 sin 4 ( /2) Q2Q2 Z 0 Energie im Massenschwerpunkt-System: s = (k + P) 2 = 4 E e E p = 4·27.6 GeV·920 GeV = (319 GeV) 2 = GeV 2 x = Q 2 / (2P q) Bjorken-x Impuls-Anteil des Partons im Proton

32 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni E.Rutherford 1910 :HERA 2000 : Entdeckung des AtomkernsStruktur des Protons Kern: hart Atom: transparent - Teilchen Gold Folie Elektron Proton Elektron Quark: hart, punktförmig ? Hadron Jet

33 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Jahre Suche nach den elementaren Bausteinen TESLA-HERA Quark-Radius: R Quark < m < R Proton Quark Radius : Kern Nukleon Quarks Substruktur ?

34 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni SLAC : drei Valenzquarks: x = 1/3 drei gebundene Quarks: ~ 50% in 3 Quarks + ~ 50% in N Gluonen Impuls-Anteil x des Quarks im Hadron ~ 1/6 x>0.1: Valenzquarks x<0.1: Seequarks + Gluonen : reine Quanten-Chromo-Dynamik ! QCDOrder 0 1 2

35 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Stanford Linear Accelerator, USA, : Elektron-Proton tief inelastische Streuung Kendall Friedman Taylor eee p X

36 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Proton Struktur: Valenz- Quarks QCD Vakuum: Gluonen + See-Quarks HERAHERA

37 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Entdeckt 1979 bei PETRA am DESY in e+e-e+e- q g e + e - q q g

38 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Test d. nicht-abelschen Eichtheorie QCD : Licht klumpt nicht - starke Kraft: Gluon-Selbstkopplung: S (Q 2 ) Aufkochen des QCD Vakuums: Q 2 x (x,Q 2 ) / ln Q 2 ~ S (Q 2 ) xg(x,Q 2 ) S 1 : wie kollabiert Störungstheorie ? Gluonen = Bosonen Gluon-Saturation ? Shadowing ? Gluonium, Glue-Balls ? Quark-Gluon-Plasma ?

39 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni RHIC am BNL, Brookhaven, USA: Au-Au 250 GeV/Nukleon > 1000 Quarks, Thermalisierung: Quark-Gluon-Plasma : s nach Urknall Neutronen-Sterne Big Bang RHIC GSI Darmstadt > 2009

40 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Gluon xG(x) 1 fb -1 Q 2 = 2,20,200,2000 GeV 2 xG / xg ~ 3 % HERA 1 HERA 2 systematics fitted M.Botje, M.Klein, C.Pascaud, HERA Workshop 1995

41 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Energieabhängigkeit der Kopplungskonstanten : 4 s (Q 2 ) = (LO) 9 ln (Q 2 / 2 ) QCD Fit der H1 F 2 Skalenverletzungen in NLO: s = ± (expt+fit) ± (scale) 1,2,3 Jet Wirkungsquerschnitte: s = ± (exp) ± (theory) running s in one experiment Super-Symmetrie : Vereinigung der Kopplungen ! Genauigkeit der Startwerte : / ~ elektromagnet. G F /G F ~ schwach G N /G N ~ Gravitation s / s ~ stark (NNLO)

42 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni _ Quarkmodell: Baryon: (qqq) Meson: (qq) Expt.: HERMES H1 Zustand + = pK 0 c = pD* : _ exotisch: (uudds) (uuddc) + Molekül ?

43 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni 04 42

44 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni NC Cross Section Generalized Structure Functions : F 2 = F 2 + a 2 F 2 -Z + b 2 F 2 Z x F 3 = a 3 xF 3 -Z + b 3 xF 3 Z parity violating F L = F L + … (longitudinal, small at low y) _ F 2 -Z, Z = x (e q 2, 2e q v q, v q 2 +a q 2 ) (q+q) q _ xF 3 -Z, Z = 2x ( e q a q, v q a q ) (q- q) = 2x (e q a q,v q a q ) q v q q=u,d valence quarks d 2 NC ~ dxdQ 2 xQ 4 xQ 4 (e ) = ( Y + F 2 Y - x F 3 - y 2 F L ) = Y + NC (x,Q 2 ) ~ Y ± = 1 ± (1-y 2 ) helicity dependence NC = reduced cross section +

45 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Proton Struktur-Funktion measure proton structure with fixed target precision at high x + Q 2 ! HERA 1 HERA 2 F 2 (x,Q 2 ) s (LEP) s (HERA)

46 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Z Interferenz e ± : Kopplung an u,d Quark elektro-schwache Vereinigung Nukleon-Struktur neutraler Strom geladener Strom Z e q W±W± e ± e d u u u d d Z Elektron Proton Neutrino Elektron Proton W

47 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Standard-Modell : beschreibt Daten über 6 Größenordnungen ! Q 2 > M Z 2 : Sensitivität auf elektro-schwache Effekte : -Z Interferenz: konstruktiv für e - destruktiv für e + e-e- e+e+ MZ2MZ2

48 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Reduzierter Wirkungsquerschnitt: e - konstruktiv Effekt der -Z Interferenz e + destruktiv 1 xQ 4 d 2 Y dxdQ 2 =

49 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni NC cross sections -Z interference: e - constructive / e + destructive 500 pb -1 : 10 % cross section error for Q 2 > GeV 2 HERA 1 HERA 2

50 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni 04 49

51 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Q 2 M W e ohne F L, xF 3 = ± 1 für links/rechtshändige e M2W,ZM2W,Z ~ 1 / (M W 2 +Q 2 ) 2 ~ 1 / Q 4 2 KOPPLUNG PROPAGATOR NC / Q 4 CC 2 / 8 sin 4 W 1 / (Q 2 +M W 2 ) 2 ähnlich: gleich bei sin 2 W ~ 1/4 Q 2 » M W 2 Vereinigung elm. + schwache Kraft

52 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni (e - p) > (e + p) CC Cross Section e-e- e+e+ _ _ --- (e - p) ~ x (u+c) + (1-y 2 ) x (d+s) _ _ --- (e + p) ~ x (u+c) + (1-y 2 ) x (d+s) d 2 CC G F dxdQ 2 4 x (e ) = ( Y + F 2 Y - xF 3 - y 2 F L ) M 2 M 2 + Q 2 W W 2 2

53 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Helizitäts- Unterdrückung schwache Ww. verletzt Parität : nur linkshändige Fermionen koppeln an W - : cc (P,e ± ) = (1± P) cc (0,e ± ) teste chirale Struktur d. Standardmodells : - P=1.0: CC an / aus ! - P=0.6: simuliere 4 x 50 pb -1 - (1+0.6) / (1-0.6) = 4 - P=0.5 erreicht J= ½ 1 ½ e - L e,R W -

54 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Geladener StromNeutraler Strom e+e+ e-e- --- Theorie + ZEUS * H1 e + p e X 2004

55 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Parton Densities needed to understand new physics ! valence quarks : % precision problem: gluon ! DGLAP equations:

56 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni needed to understand new physics, e.g. at LHC ! QCD fits to structure functions : _ _ F 2 ~ 4/9 (U+U) + 1/9 (D+D) _ _ with xF 3 ~ 2 (U-U) + (D -D) _ _ _ _ _ _ D = d+s U = u+c U = u+c D = d+s % precision except for gluon : Parton Densities

57 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni jenseits des Standard - Modells : Sub - Strukturen Lepto – Quarks Super - Symmetrie Extra Dimensionen

58 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Neue Physik : 4 Fermion Kontakt-Term e e q q HERA e p e X LEP _ e + e - q q _ FNAL_ pp l l X g2M2g2M2 HERA : Standard-Modell ok bis = 5 TeV

59 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni BSM : contact interactions HERA, LEP, FNAL : all have similar 95% CL limits in the TeV range

60 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni BSM : R p violating SUSY

61 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Lepton Lepto- Quark Quark Q X = 4/3 Q Y = 1/3 LL Q Q LQ ICHEP Leipzig 1984 LQ DESY 1996 Elektron Proton Elektron Hadron Jet

62 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni HERA kompetitiv mit LEP + FNAL: Lepto- Quark J I H e DESY H1 M LQ / GeV S 0 L 710 S 0 R 640 S 0 R 330 S ½ L 850 S ½ R 370 S ½ L 430 S 1 L 490 V 0 L 730 V 0 R 580 V 0 R 990 V 1/2 L 420 V 1/2 R 950 V 1/2 L 1020 V1LV1L 1360

63 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Lepton flavor violation HERA 2 : high discovery potential in many channels :

64 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni SUSY-Top evtl. leichtestes SUSY Quark ! R-Parität: R p = (-1) 3(B-L)+2S Minimale Supergravitation + R P Verletzung : Sensitivität auf R p -verletz. SUSY-Top: HERA: m t > 270 GeV

65 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Emission von Kaluza-Klein-Gravitonen in Extra Dimensionen: reelle Emission: fehlender Impuls virtueller Austausch: größere Raten Graviton: Spin-2 Tensor-Kraft: Winkel-Verteilung G extra dimension q q e e Z Our space-time Our World: 3D brane Extra Dimensions Graviton Our World: 3D brane q, g Extra Dimensions Graviton

66 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni M s ± / TeV CERN LEP (Hewett)1.21. DESY H1 (GRW) DESY ZEUS FNAL D0 Run I+II HERA 2~1

67 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni simulierter Zerfall eines Mini Black Hole im ATLAS-Detektor am LHC des CERN Gravitative Resonanz. Zerfall in SUSY u.a. Teilchen Verdampfung durch Hawking-Strahlung Quantentheorie Schwarzer Löcher im Labor ! Nachweis: LHC + kosm. Strahlung (Auger, ICECUBE)

68 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni HERA : Discoveries HERA pb -1 e + : H1 10 high p t multileptons for 3 expected HERA pb -1 ?

69 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni bis 2007: Messungen mit polarisierten e ± präzises Bild des Protons: Gluon-Dichte auf wenige % starke Kopplung s auf < 2% jenseits des Standard Modells : Suche nach : -Lepto-Quarks -Super-Symmetrie -Sub-Struktur der Fermionen -angeregten Fermionen -Extra Dimensionen - … -Überraschungen

70 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni 04 69

71 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni CERN LHC

72 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Large Hadron Collider bei CERN in Genf : 23 km lang 9 T supraleitende Magnete 2 x 7 TeV Proton-Proton-Kollisionen ab 2007 Suche nach : Higgs-Teilchen Super-Symmetrie...

73 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Proton-Struktur : Input für Higgs- und SUSY- Produktion p p

74 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Internationale Kollaboration Supraleitender Elektron-Positron- Linearbeschleuniger GeV 33 km lang Ziel: Higgs- und SUSY- Präzisions-Physik ab 2015

75 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Kosmos Atom Kern Proton Zelle Sonnen system Galaxis Sterne Quark m m Strings 10-D HiggsDunkle Energie SUSYDunkle Materie R q <

76 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni Quarks Leptonen u b c t ds e e Neutrinos Elektronen H Higgs u b c t d s e e

77 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni x 1/3 0 1 x 0 1 x ein Proton SLAC : drei Valenzquarks drei gebundene Quarks Quarks + Gluonen x u d u e Proton Rutherford 1911: Photon-Propagator d Rutherford /d ~ 1 / 4E 2 sin 4 ( /2) ~ 1 / Q 2 Mott 1929, Spin: d Mott /d ~ d Rutherford /d cos 2 ( /2)

78 Universität Leipzig Kolloquium 8 Juni NC: xF 3 ~ ~ ~ _ xF 3 = ( ) NC Y + /2Y - = 2x e q a q [q - q] ~ q v q d 2 NC ~ dxdQ 2 xQ 4 xQ 4 (e ) = ( Y + F 2 Y - x F 3 - y 2 F L ) = Y + NC (x,Q 2 ) direct access to valence quark distribution ! Need lumi : HERA 2 ! xF 3 ~ xF 3


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