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Physik bei HERA Die Experimente H1 und ZEUS Thomas Schörner-Sadenius Uni HH, 17. Februar 2005 Fortgeschrittenenpraktikum.

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1 Physik bei HERA Die Experimente H1 und ZEUS Thomas Schörner-Sadenius Uni HH, 17. Februar 2005 Fortgeschrittenenpraktikum

2 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA2 Übersicht Grundlagen der Physik bei HERA Warum ist HERA-Physik spannend? DESY und seine Infrastruktur HERA + Physik H1 und ZEUS Übersicht über die Experimente Internationale Kollaborationen Arbeitsorganisation Als Student Warum Diplomarbeit in HEP? Bei HERA? Was kann man als Diplomand tun? –Physik, Hardware, Software

3 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA3 Elektron-Proton-Streuung Das Proton – ein komplexes Objekt

4 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA4 Elektron-Proton-Streuung Das Elektron als Sonde 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 neutral current - e charged current -

5 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA5 Ein typisches Ereignis in H1 dargestellt im Event-Display H1-NC-DIS-Ereignis [Q 2 =4E e E e cos 2 ( /2)] Gestreutes e ± Gestreutes Quark Proton Lepton Spurkammern Kalorimeter Struktur des Protons EM und schwache WW QCD Neue Physik

6 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA6 Elektron-Proton-Streuung Verdeutlichung von x und Q 2 Q~1/ =1/Auflösung Q 2 hoch kleinere Strukturen

7 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA7 Dynamik im Proton unter der Lupe Voll das Leben - Gluonen! 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 (Q 2 ) x Hohe Energie: ep-Streuung ~ eq-Streuung! HERA: Ideales Labor zur Untersuchung der Partondynamik im Proton.

8 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA8 Elektron-Proton-Streuung Verdeutlichung von x und Q 2

9 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA9 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] Feynman etc.: Punkt- foermige Partonen ohne Wechselwirkung!!!

10 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA10 Die Protonstruktur – PDFs* … etwas unanschaulich … *PDF = parton distribution function Beachte den Unterschied zwischen Valenz- und Seequarks und Gluonen! Die Angabe von (sinnvollen) Fehlern ist noch sehr neu!

11 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA11 Elektroschwache Theorie Erster Schritt zur Unification Q 2 gross (NC) = (CC) [Elektroschwache Ver- einheitlichung] Bis jetzt alle Wirkungsquerschnitte von der Theorie beschrieben!,Z,W? Egal !!!! Neu: Polarisierte Strahlen! Unter- suchung der schwachen WW (W- Boson sollte nur linkshändig koppeln)

12 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA12 Die starke Weckselwirkung: QCD Die andere Kraft … BGF: Boson- Gluon-Fusion QCD-C: QCD- Compton-Events … die nächste Ordnung … s ! (Transversale) Energie der Jets

13 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA13 Besonders nett: s Ein (zum Glueck) universeller Parameter s ist der fundamentale Parameter der QCD (wie EM im Falle der QED).

14 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA14 Physik schwerer Quarks I Komplexer wegen hoher Massen! Open charm production D* s + + K-K- D0D0 Golden D* decay Rest x

15 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA15 Physik schwerer Quarks II Erstes Mal Daten durch Theorie beschrieben? Beauty-Wirkungs- querschnitte nicht verstanden? Methoden: p T,rel, Impakt-Parameter, (stat. Trennung)

16 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA16 Die Suche nach neuer Physik … noch ganz frisch: Pentaquarks uudds K s 0 p + - p

17 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA17 Die Suche nach neuer Physik … eigentlich das Interessanteste 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?

18 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA18 Das DESY-Umfeld Viele Beschleuniger und einiges an Geschichte Derzeit 920-GeV-Protonen auf 27.5-GeV-Positronen. Entdeckung des Gluons bei PETRA

19 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA19 HERA-Performance Im Vergleich der Jahre: Steile Lernkurve! HERA I: e + p-Streuung: 100 pb -1 e - p-Streuung: 15 pb -1 HERA II: Ziel: 1000 pb -1 bis 2006/7

20 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA20 H1 und ZEUS Die einzigen ep-Experimente Internationale Kollaborationen mit Beteiligung von ca 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 (E e = 27.5 GeV, E p = 920 GeV, Massen!). –Datennahme seit 1992; Betrieb bis Mitte 2007 [Anmerkung: Es gibt zur Zeit nicht viele laufende HEP-Experimente!] Nachher Besichtigung von H1 und ZEUS!

21 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA21 Das ZEUS-Experiment Zwiebelschalenfoermiger Aufbau e p Wechselwirkungspunkt Vertex-Detektor Nachweis der Zerfaelle langlebiger Teilchen Spurkammern Feld/Signal-Draehte (Ionisationsnachweis, Impulsmessung geladener Teilchen) Uran-Kalorimeter (Energiemessung neutraler und geladener Teilchen) Solenoid Weitere Kalorimeter Muon-Kammern 20*12*11 Meter 3600 Tonnen Ca. 25 Komponenten

22 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA22 Das ZEUS-Kalorimeter Energiemessung mit Uran Teilchen deponieren Energie in Szintillator Licht! electron anode vacuum dynodes Licht wird mit Lichtleitern zu Photomultipliern (Sekundaer- elektronenvervielf.) gebracht Vom Photomultiplier zum elektronischen Signal Kalorimeter-Geometrie Ein Barrel-Modul

23 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA23 ZEUS-MVD Spurmessung mit 20 m Zeus hat einen neuen Silikon- Mikrovertex-Detektor eingebaut, der der genauen Spurmessung am WW-Punkt dienen soll. Uni HH war massgeblich beteiligt ! ep Wechselwirkungspunkt 360k elektrische Kanaele im Readout! 600 Silizium-Streifendetektoren Schwere Mesonen = hohe Lebensdauern Zerfall nach ~mm! Nachweis d. Vertex b,c-Physik.

24 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA24 Arbeit in einer Kollaboration Arbeitsteilung und Teams (ZEUS) Aufteilung 1: Institute (z.B. UHH) - Gutachter der (Diplom-)Arbeiten; - oft mehrere Leute an einem Thema - interne Diskussion Aufteilung 2: Subdetektor (z.B. Kalorimeter) - Oft quer durch die Institute. - Jeder muss fuer das Experiment arbeiten. - Hardware-Erfahrung wichtig Aufteilung 3: Physik-Gebiet (z.B. QCD) - Regelmaessige Treffen derer, die auf einem Gebiet arbeiten; - Interner Review-Prozess wise men conveners coordinators Spokesperson Physics Chair Run Coordinator

25 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA25 Diplomarbeit: Warum Teilchenphysik? Physik, Detektoren, Computing Fundamentale Fragen, moderne Technologien Präzise Messungen Internationale Kollaborationen Teamarbeit in kleiner Gruppe enge Betreuung, relevante Ergebnisse soziale Erfahrung Meetings, Vorträge, Schulen, Konferenzen In Forschung, Wirtschaft, Industrie Vielseitige Umgebung Gute Zukunfts- Perspektive Kommuni- kation

26 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA26 Diplomarbeit: Warum HERA? Alle Aspekte experimenteller Teilchenphysik Interessante Ergebnisse, Potential lange nicht ausgeschöpft! HERA-II-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

27 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA27 Als Diplomand … …kann man …muss man …soll man … eigentlich alles machen: - Physikanalyse von HERA-Daten [bahnbrechende Ergebnisse kann man aber nicht versprechen ;-) ] - Hardware-Entwicklung HERA/CMS - Software-Entwicklung HERA/CMS - 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.

28 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA28 Themen (locker assoziiert) Inbetriebnahme des ZEUS-MVD (ZEUS) Inbetriebnahme des Forward Trackers (ZEUS) Inbetriebnahme des Fast Track Triggers (H1) Inbetriebnahme der neuen Lumi-Systeme Konstruktion und Test von CMS-Detektoren… Entwicklung objektorientierter Software (H1) Analyse von Ereignissen mit schweren Quarks Suche nach neuer Physik (Supersymmetrie) Messung der PDFs bei hohen x in Jet-Ereignissen Typischerweise Mischung von Analyse, Software- und Hardware-Betreuung.

29 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA29 Diplomarbeit ist anders … … als das Studium! Stark arbeitsteilige Organisation der Arbeit in kleinen Teams Experimenteller Ansatz [eine gewisse Frustrationstoleranz ist nötig ;-) ] Zahlreiche Hardware-Aufgaben [Teststand, Elektronik, Logistik, …] Anwendung von Software/Computing –Zur Analyse grosser Datenmengen –Zur Simulation / Lösung komplexer Probleme –Programmierkenntnisse vorteilhaft aber nicht zwingend [Fortran, C, C++, paw, ROOT, JAVA, CGI, PERL, PYTHON, …] Interesse an Teilchenphysik [Theorie, Modelle, Nachweis]!

30 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA30 Kontakte … auch jeder Diplomand/Doktorand.. 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 , 1c/379, - Prof. P. Schleper, Tel , 67b/24, - Dr. T. Schörner-Sadenius, Tel , 67b/22, - Prof. B. Naroska, Tel , 1c/282,

31 UHH, 17. Februar 2005TSS: HERA31 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 (und danach) werden Physiker gesucht, die - Daten auswerten - die Detektoren mitbetreiben [Schichten, Verantwortung für Komponenten] - die Arbeit in einer internationalen Kollaboration geniessen [Qualifikation!]. Arbeits- markt Gibt es arbeitslose Hochenergiephysiker? - Banken, Versicherungen, Beratungen - F+E in der Industrie und Selbstaendigkeit


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