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LeptonMasseLebensdauer e 1 eV 190 keV 18,2 MeV e 511 keV 105,7 MeV 2,197 s 1,777 GeV0,291 ps Leptonen: 1.1. Bild 1.

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1 LeptonMasseLebensdauer e 1 eV 190 keV 18,2 MeV e 511 keV 105,7 MeV 2,197 s 1,777 GeV0,291 ps Leptonen: 1.1. Bild 1

2 QuarkMassetypische Lebensdauer u1,5 – 3,3 MeV c1,3 GeV10 12 s t171 GeV10 23 s d3,5 – 6,0 MeV10 3 s s100 MeV10 9 s b4,2 GeV10 12 s Quarks: 1.1. Bild 2

3 Der Aharonov-Bohm-Effekt: Experiment: Möllenstedt und Bayh, 1962 Bewegungsrichtung des Films Strom konstant Strom wird gleichförmig erhöht Beobachtungs- ebene (Film) Spule Elektronen- strahl HV Bild 1

4 Ausblick Wechsel- wirkung klassisch Quantenfeldtheorie Gravitation stark schwach elektrisch magnetisch allg. Relati- vitätstheorie (Einstein) Elektro- dynamik (Maxwell) QED QCD QFD GUT Große Vereinheitlichung TOE: Theory of Everything heutiger Stand Bild 1

5 1.3. Experimentelle Ansätze a) Z-Sektor z. B. LEP (CERN), SLC, PEP (SLAC), PETRA (DESY) Tevatron (FNAL)LHC (CERN) -Streuung (CERN, FNAL, Kernreaktoren,...) HERA (DESY) mit 1.3. Bild 1

6 b) W-Sektor mit LEP (CERN) Tevatron (FNAL)LHC (CERN) HERA (DESY) mit ( ) LEP, CLEO, ARGUS, BES, BaBar, Belle LHC (CERN) (single top production) 1.3. Bild 2

7 c) Gluon-Sektor LEP, SLC, PEP, PETRA Tevatron (FNAL)LHC (CERN) HERA (DESY) mit etc Bild 3

8 d) Massen-Sektor LEP Tevatron (FNAL) LHC (CERN) Higgs: Quark-Mischung und CP-Verletzung BaBar (SLAC), Belle (KEK) Tevatron (FNAL) LHC (CERN) LEP (CERN), SLC (SLAC) etc Bild 4

9 Neutrale Ströme: Gargamelle Blasenkammer (CERN) 3.1. Bild 1

10 Erstes Z-Boson im UA1-Detektor (CERN) Bild 2

11 Energiedeposition im EM-Kalorimeter Verteilung der invarianten Di-Lepton-Massen Z Untergrund 3.1. Bild 3

12 Gezeiteneffekte der LEP-Strahlenergie Vollmond Halbmond Bild 1

13 Spurdetektor teilweise im B-Feld elektromagnetisches Kalorimeter hadronisches Kalorimeter Myon- Spurkammern Teilchen-ID (Cherenkov,TRD) n, K L e p,, K Silizium- Vertexdetektor InnenAußen Prinzip von Großdetektoren Modularer Aufbau Bild 2

14 Selektion: Z, e e e,, Z, e e Z e e Unsichtbar: ein Diagramm pro Neutrinoflavour mit 2m M Z Bild 3

15 zwei Spuren jeweils mit Impuls M Z 2 minimal ionisierende Spur durch beide Kalorimeter Spurkammern elektromagnetisches Kalorimeter hadronisches Kalorimeter Myon-Kammern Signale vom Durchgang durch die Myon-Kammern Bild 4

16 zwei Spuren jeweils mit Impuls M Z 2 zwei e.m. Schauer jeweils mit Energie M Z Bild 5

17 Mittlere -Zerfallsstrecke: 2mm Bild 6

18 fehlende Energie kleine Multiplizität einzelne Leptonen mit Impuls M Z 2 Jet-artige Strukturen mit 1 5 Hadronen und Gesamtimpuls M Z Bild 7

19 zwei (oder mehr) Jets von Hadronen Impulssumme 0 Energiesumme e e -Schwerpunktsenergie Bild 8

20 Z-Resonanzkurve und totale Breite Bild 9

21 Z-Partialbreiten Bild 1

22 Selektion: Sekundärvertizes Bild 2

23 Bild 3

24 Z-Resonanzkurve für verschiedene N Bild 1

25 Bild 1

26 Sensitivität der Asymmetriefaktoren auf den Mischungswinkel Bild 1

27 Winkelverteilung für Myon-Paare Bild 2

28 Messung der Rechts-Links-Asymmetrie am Linear-Collider SLC Bild 3

29 Messung der -Polarisation Bild 4

30 Winkelabhängigkeit der -Polarisation Bild 5

31 Z-Kopplungen an Leptonen Bild 6

32 Winkelasymmetrie für bb- und cc-Ereignisse Bild 1

33 Z-Kopplungen an Quarks CharmBottom Bild 2

34 3.5. Bild 1

35 Eines der ersten W-Bosonen im UA1-Detektor (CERN) 4.1. Bild 1

36 m T -Verteilungen von CDF, D0 (Tevatron) Präzisionsmessung von M W Bild 1

37 Präzisionsmessung der W-Masse als Test der Schleifenkorrekturen im Standardmodell Bild 1

38 Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix Unitarität Bild 1

39 W W W W Bild 2

40 Allgemeine Lorentzstruktur für Fermionströme Lorentz-Trafo eines Vierervektors: a) Eigentliche LT: b) Uneigentliche LT: BoostDrehung ZeitspiegelungRaumspiegelung Bild 1

41 1) Skalar (1): 2) Pseudoskalar (1): 3) Vektor (4): 4) Axialvektor (4): 5) Tensor (6): mit 16 linear unab- hängige komplexe 4 4-Matrizen vollständige Basis des -Vektorraums der komplexen 4 4-Matrizen Bild 2

42 Bild 3

43 Bild 1

44 Bild 1

45 Bild 2

46 Tiefunelastische Streuung, neutraler Strom (,Z) Bild 1

47 Tiefunelastische Streuung, geladener Strom (W) Bild 2

48 elektromagnetisch schwach Vereinigung bei Tief-unelastische e p-Streuung Bild 3

49 Die starke Kopplungskonstante 5.2. Bild 1

50 Die Farbfaktoren der QCD-Eichgruppe 5.3. Bild 1

51 Higgs-Mechanismus im Standardmodell Lokal invariant unter SU(2) L U(1) Y Spontane Symmetriebrechung für Bild 1

52 Spontane Symmetriebrechung Vakuum: gebrochen ungebrochen Bild 2

53 Eichfixierung – Eliminierung der Goldstone-Bosonen Symmetrie- Generator (bzw. Linearkomb.) Goldstone- Bosonen Higgs- Bosonen Feldquanten Bild 3

54 Experimentelle Untersuchung des Higgs-Sektors ( ab jetzt: H ) Higgs-Erzeugung bei LEP: a)LEP 1: e e ; H e e b)LEP 2: e e ; H e e H e e H e e wichtigster Kanal Bild 1

55 Suche bei LEP 1&2: H langlebig (Flugstrecke 1m) WW H e, Leptonen vom Z bzw. Z H verlässt Detektor fehlende Energie WW H e e fehlende Energie von Sekundärvertex von m e e m H Bild 2

56 fehlende Energie von m 2-Prong m H H kurzlebig, Zerfall am Hauptvertex WW K K Higgs 2-Prong WW fehlende Energie von Monojet von H q q mit q s,c,b Bild 3

57 dominiert durch LEP 2 2 Leptonen von 2 b-Jets von b-Jet-Signaturen (Sekundärvertizes, Leptonen) WW Resultat: Bild 4

58 Globaler Fit an alle elektroschwachen Observablen mit Higgs-Masse als freier Parameter Direkte Grenze von LEP 2 Ausschluss- Bereich vom Tevatron Bild 5

59 LHC: pp bei (ab 2010), (ab 2015) g g H Gluon-Fusion (dominant)Vektorboson-Fusion H q q W, Z begleitende Produktion H Higgs-Strahlung g g H t t - Fusion Higgs-Erzeugung am LHC: Bild 6

60 Higgs-Verzweigungsverhältnisse vs. Higgs-Masse Bild 7

61 Wichtigste Higgs-Zerfallskanäle am LHC: m H 110 GeV H H m H GeV Bild 8 H m H 150 GeV: H

62 Ausgeschlossen: m H 111–122 und m H 131–559 GeV Kombinierte ATLAS-Grenzen auf ? Bild 9

63 Entdeckung eines neuen Bosons (Juli 2012): ATLASCMS Neues Boson mit Spin 0 oder 2 bei GeV! Bild 10

64 ATLASCMS Bestätigung des Signals! Bild 11

65 ATLASCMS Bestätigung des Signals! Bild 12

66 Kompatibel mit Higgs-Bosons des Standardmodells? ATLASCMS Ja, im Rahmen der noch großen Fehler… Bild 13

67 Ausblick a)Mögliche Erweiterungen: Mehrere Higgs-Dubletts oder Tripletts Mehrere geladene und neutrale Higgs-Bosonen b)Supersymmetrie: Felder supersymmetrische Partner Fermion skalare Boson Boson Spin-½-Fermion Minimale Version der Theorie: 2 Higgs Dubletts h H A H skalar, CP pseudoskalar, CP skalar, geladen neutral Vorhersage: m h M Z m Strahlungskorrektur 130 GeV Partner: Spin-½-Higgsinos Charginos & Neutralinos Bild 1

68 Mischung neutraler Mesonen: Erzeugung (starke WW) schwache WW Zerfall (schwache WW) Mischung Konzept des effektiven Hamiltoneans (nicht-hermitesch): Zerfall Bild 1

69 Schrödingergleichung für wobei: wegen CPT-Symmetrie -Mischung Bild 2

70 Oszillationsparameter für -Mischung Bild 3

71 Messung der -Mischung Bild 4

72 Entdeckung der CP-Verletzung: Bild 1

73 Zerfallsrate neutraler Kaonen als Funktion der Zeit Interferenzterm extrahiert aus a) Bild 2

74 e e -B-Fabrik: BaBar (SLAC), (Super-)Belle (KEK) Zukunft: SuperB (?) bei Rom (?) e e 9,0 GeV3,1 GeV WW asymmetrischer Collider Lorentz-Boost t messbar Vorteil: Sehr einfacher Endzustand Herausforderung: Extreme Luminositäten erforderlich heute Routine: Zukunft: Bild 3

75 Hadronische-B-Fabrik: LHCb am LHC (seit 2010) b-Hadron Signalzerfall b-Hadron Zerfall Flavour-Tag Vorteil: tot riesig; ; ultimative Statistik Herausforderung:komplizierter Endzustand anspruchsvoller Trigger Bild 4

76 Bild 5

77 Bild Die PMNS-Mischungsmatrix A) Dirac-Neutrinos Erzeugung durch geladene Ströme: : Geladene Leptonen ( e,, ); unterscheiden sich nur durch Masse WW-Zustände Massen-Eigenzustände : Neutrino-Flavour allein durch begleitendes Lepton definiert Flavour Zustände Massen-Eigenzustände k Flavour-EZ: e,, sterile Neutrinos Massen-EZ: k k 1, 2, 3 4, 5, 6, …, N P ontecorvo- M aki- N ahagawa- S akata Unitäre Transf.: U PMNS-Matrix:

78 Bild 2 Parameterzählung analog CKM-Matrix: reelle Drehwinkel k j, k j komplexe Phasenfaktoren e i (Phasen ) Freie Wahl der Phasen der Fermionfelder: unabhängige Phasendifferenzen k unabhängige Phasen k,

79 Parameter der PMNS-Matrix: reelle Drehwinkel k j, k j komplexe Phasenfaktoren e i (Phasen ) Phasenfaktoren absorbierbar in Fermionfeldern komplexe Phasenfaktoren Bild 3 Beispiel N 3 : 3 Drehwinkel, 1 Phase 1.Drehung um 3-Achse: R Drehung um 2-Achse: R Drehung um 1-Achse: R Phasenfaktor: Eine mögliche Parametrisierung:

80 Bild 4 Ausgeschriebene PMNS-Matrix für N 3 (Dirac-Neutrinos):

81 Bild 5 B) Majorana-Neutrinos Massenterm ~ Phasen für Majorana-Neutrinos nicht frei wählbar! komplexe Phasenfaktoren e i (Phasen ) Phasenfaktoren absorbierbar in geladenen Fermionfeldern komplexe Phasenfaktoren N 1 zusätzliche Majorana-Phasen!

82 Neutrino-Oszillationen FlavoursterilMasse m k Bild 1

83 Bild 1

84 3-Neutrino-Mischung Mischungsmatrix (Dirac-Anteil): Jarlskog-Invariante (Amplitude CP-verletzender Oszillation): Bild 1

85 Bild 2

86 Amplitude der CP-erhaltenden Oszillationen: Beispiele: etc., vgl. Giunti, Kim, Table Bild 3

87 3-Neutrino-Oszillationen in Materie Bild 1

88 e - Oszillationen in Materie Bild 1

89 Diagonalisierung: Bild 2

90 Neue Basis: Bild 3

91 Experimentelle Befunde: -Zerfall: E0E0 EeEe Kurie-Plot K(E e ) E 0 m Bild 1

92 Zerfall ruhender Pionen: p vom Zyklotron Target zum Spektrometer Veto-Szintillator Abbrems-Target und Signal-Szintillator Bild 2

93 -Zerfall: had im -Ruhesystem m m had Bild 3

94 Doppel- -Zerfall: Ist e ein Dirac- oder ein Majorana-Teilchen? Ist e ein massives Teilchen? Existieren rechtshändige e -Ströme? E 2e Endpunkts- Energie Normal: L 0 Neutrinolos: L 2 Majorana Bild 4

95 Neutrinoloser Doppel- -Zerfall auf dem Quarkniveau: Majoranamasse Helizitätsflip rechtshändiger geladener Strom Effektive Majoranamasse (Mittelwert, gewichtet mit relativen Beiträgen leichter Majorana-Neutrinos): oder andere neue Physik stets folgt Existenz von Majorana Bild 5

96 7.4. Experimente zu Neutrinooszillationen Experimentelle Ansätze Sensitivitätsbedingung für Nachweis von Oszillationen: Sensitivitätsbedingung für m 2 : sonst Ausschmierung durch experimentelle Auflösung nur sensitiv auf Bild 1

97 i) DisappearanceExperimente: ii) AppearanceExperimente: QuelleDetektor Fluss Q bekanntFluss D wird gemessen QuelleDetektor Fluss Q bekannt Bild 2

98 Neutrino-Quellen: Kernkraftwerke atmosphärische Neutrinos innere Erde aktive galaktische Kerne Teilchenbeschleuniger unsere Sonne Supernovae -Quelle -Typen E / MeV L / km m 2 | min / eV 2 Reaktor Beschleuniger Atmossphäre Sonne 0, Bild 3

99 Atmosphärische Neutrinos und Long-Baseline-Experimente Erde kosmische Strahlung (p) Luftschauer,e Untergrund- Detektor Bild 1

100 -Entstehung in hadronischen Schauern mehr positive als negative kosmische Strahlung Kern in Atmosphäre Erwartung: Im Detektor: Signatur Bild 2

101 Oszillation auf dem Weg durch die Erde e -Fluss wie erwartet -Fluss von unten zu klein -Fluss von oben Bild 3

102 Beobachtung der L E-Abhängigkeit des -Defizits und Interpretation als Oszillation Bild 4

103 Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger- Experimenten ( L km ) atmosphärisch Bild 5

104 Solare Neutrinos und Reaktor-Neutrinos Haupt-Fusionsreaktion in unserer Sonne: E thermisch Solarkonstante: Neutrinosfluss auf der Erde: Detailliertes Modell: Standard-Sonnen-Modell SSM Bild 1

105 Reaktionen mit e -Produktion im SSM Reaktion Abk. (cm 2 s 1 ) Gesamtfluss bekannt mit 1,2% Genauigkeit! Bild 2

106 Spektrum solarer Neutrinos im SSM Bild 3

107 Experimentelle Techniken: a)Nachweis von Kernumwandlungen b)Realzeit-Streuexperimente c)Tieftemperaturdetektoren radiochemischer / geochemischer Nachweis (Schwer-)Wasser-Target hohe Energieschwelle Flüssigszintillator-Target niedrige Energieschwelle Einheit für den gemessenen Neutrinofluss: SNU (Solar Neutrino Unit) 1 SNU Einfänge pro Sekunde und Targetkern Bild 4

108 Resultate für solare e -Flüsse auf der Erde ReaktionSchwelle Fluss SSM-Vorhersage 37 Cl 37 Ar 814 keV 2,6 SNU 8,0 SNU 71 Ga 71 Ge 233 keV 70 SNU 125 SNU e e e e 5 7 MeV2, cm 2 s 1 8 B 5, cm 2 s keV 233 keV 5 MeV Klares Defizit von solaren Elektron-Neutrinos bei allen Energieschwellen e -Oszillation Bild 5

109 Direkter Nachweis der solaren e Oszillation Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Target: D 2 O (schweres Wasser) Schwellenenergie: 1-2 MeV X exklusiv von 8 B 8 Be e e Reaktionen: Charged Current (CC): Neutral Current (NC): Elastic Scattering (EC): e e W n p p p X X Z n,p p,n n,p p,n e X Z e X e e W e e Bild 6

110 Lösung des solaren Neutrino-Problems Vorhersage SSM Bild 7

111 Bestätigung: KamLAND-Experiment mit von Kernkraftwerken ( L km ) Bild 8

112 Erste Messungen von Bild 1 Long-Baseline-Experimente: -Quelle e -Appearance T2K far detector

113 MINOS 735 km Bild 2

114 Reaktor-Experimente: e -Quelle e -Disappearance Daya Bay (China) Photo:IHEP Bild 3

115 Bild 4 RENO (Korea)

116 Bild 5 Double Chooz (Frankreich) Globaler Fit aller Experimentellen Daten:

117 Zusammenfassung Linien: Ausschlussgrenzen Flächen: Messungen Solare Neutrinos Reaktor-Neutrinos Atmosphärische Neutrinos Long Baseline -Exp Bild 1

118 Spektrum der Neutrino-Masseneigenzustände e oder invertiert: Bild 2


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