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Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund Experimentelle Methoden der Teilchenphysik - Das CMS-Experiment Rundgang durch ein Experiment der Hochenergiephysik.

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Präsentation zum Thema: "Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund Experimentelle Methoden der Teilchenphysik - Das CMS-Experiment Rundgang durch ein Experiment der Hochenergiephysik."—  Präsentation transkript:

1 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund Experimentelle Methoden der Teilchenphysik - Das CMS-Experiment Rundgang durch ein Experiment der Hochenergiephysik Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück Peter Schleper Universität Hamburg Winter-Semester 2004/05

2 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund Einleitung und Lebenslauf der Teilchenphysik Thomas Schörner-Sadenius, Georg Steinbrück Peter Schleper Universität Hamburg Winter-Semester 2004/05

3 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS3 Vorlesung 1 Einleitung in die Vorlesung Worum es geht: CMS und LHC Teilchenphysik heute – wo stehen wir? `Lebenslauf der Teilchenphysik Was sind die aktuellen Fragen? Probleme? Warum LHC? Warum CMS? CERN und das LHC-Projekt CERN: Geschichte, Organisation, Beschleuniger Das LHC-Projekt We proudly present: CMS

4 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS4 Einleitung - Die Vorlesung Die Vorlesung soll … Die Bedeutung der neuesten Generation von Experimenten der Teilchenphysik verdeutlichen Stand der Forschung (grob), Motivation Erwartungen an die Experimente Anhand eines konkreten Beispiels (CMS) die Organisation und Durchführung eines Experiments erläutern Kollaboration Detektor Datennahme Das oft theorielastige Studium durch praxisnahe Einblicke in die experimentelle Wirklichkeit erweitern `saubere Theorie gegen `dreckige Praxis Bei den Teilnehmern die Begeisterung für die Hochenergiephysik wecken Hochenergiephysik ist ein sehr breites Feld! Wir sind ganz tolle Diplomarbeitsanleiter!

5 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS5 Die Vorlesung Diese Vorlesung kann und soll nicht … In die theoretischen Grundlagen der Teilchenphysik einführen. Quantenfeldtheorie, Eichtheorien, Standard-Modell … Den aktuellen Forschungsstand auch nur eines Teilgebietes der Teilchenphysik im Detail aufzeigen. QCD, Elektroschwache WW, Supersymmetrie, Neutrinos … Details der Detektor- oder Beschleunigerphysik darlegen Auch wenn wir viel über den Detektor sprechen werden. Für alle diese Aspekte der Teilchenphysik gibt es Spezial- veranstaltungen, die aber keine Voraussetzung für die Vorlesung sind – das allernötigste wird jeweils geliefert. Bitte nachfragen – es ist sehr schwer, Ihre Vorkenntnisse richtig einzuschätzen – und jeder wird ein anderes Vorwissen haben.

6 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS6 Die Vorlesung … soll Ihre Vorlesung sein! Sie können und sollen im zeitlichen Rahmen die Inhalte durch Fragen oder Wünsche mitbestimmen. Wir brauchen Ihr Feedback bzgl. Inhalt und Präsentation – nur mit Ihrer Hilfe können wir besser werden. Nutzen Sie die Anregungen, die diese Vorlesung aufwirft Fragen, Literaturangaben, weitere Veranstaltungen Weitere Ausrichtung des Studiums Alle Vorlesungen finden Sie im Web unter:

7 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS7 Worum es geht: LHC L arge H adron C ollider CERN

8 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS8 Worum es geht: LHC L arge H adron C ollider

9 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS9 Worum es geht: CMS C ompact M uon S olenoid Eines von ~2 Hochenergiephysik-Experimenten am Proton-Proton-Speicherring LHC des CERN in Genf daneben noch ATLAS (und LHCb und Alice) Compact: m 3, Tonnen, 2000 Leute - aber klein im Vergleich zu ATLAS Muon: Fokus auf Myon-Nachweis – wichtig z.B. für Higgs-Suchen oder SUSY-Signaturen. - aber alle Komponenten müssen extrem gut sein. Solenoid: Magnetfeld der Stärke 4 T aus Spule - zur Messung des Impulses geladener Teilchen Alle Details später!

10 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS10 Worum es geht: CMS C ompact M uon S olenoid

11 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS11 Worum es geht: CMS C ompact M uon S olenoid

12 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS12 Worum es geht: CMS … und die Konkurrenz: ATLAS

13 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS13 Gliederung Das ist die Idee, aber wir sind flexibel. 1.Einleitung (TSS) -- Teilchenphysik vor LHC – wo stehen wir? -- CERN und das LHC-Projekt. 2.Grundlagen der Beschleunigerphysik (TSS) -- Realisierung von Beschleunigern -- LHC und die CERN-Beschleuniger 3.Das CMS-Experiment 1 (GS) -- Die CMS-Kollaboration -- Spurkammern und Kalorimeter 4.Das CMS-Experiment 2 (TSS) -- Muon-Kammern -- Kalibration -- Trigger und Datennahme (ATLAS!) 5.Das CMS-Experiment 3 (GS) -- Betrieb, Datenauswertung, Computing 6.Physik des LHC: Grundlagen und Theorie (TSS) -- von PDFs, Wirkungsquerschnitten, Monte Carlos, Ordnungen und Loops etc.

14 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS14 Gliederung Die zweite Hälfte 7.Physik des Standard-Modells am LHC (GS) -- QCD und elektroschwache Wechselwirkung 8.Physik schwerer Quarks am LHC (TSS) -- charm und beauty -- top-Physik 9.Das Higgs-Boson des Standard-Modells (GS) 10.Erweiterungen des Standard-Modells (GS) -- Supersymmetrie -- Vereinheitlichte Theorien -- … und Exotika … 11.… und nach dem LHC? (Prof. Peter Schleper) -- Linearbeschleuniger -- Myon-Beschleuniger -- kosmische Beschleuniger 12.Besuch bei ZEUS / im HERA-Kontrollraum / beim Teststrahl 13.Evtl. Übersicht: Die Ergebnisse von LEP und Tevatron

15 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS15 Die Vorlesenden … damit Sie wissen, wer vor Ihnen steht Prof. Peter Schleper: Professor für Teilchenphysik Diplomarbeit Frejus-Experiment Doktorarbeit/Postdocs bei H1 (HERA) H1 Physics Coordinator Leiter der CMS-Gruppe der UHH Dr. Georg Steinbrück:Wissenschaftlicher Mitarbeiter PhD und PostDoc am D0-Experiment (Tevatron,USA) jetzt zuständig für CMS-Spurkammern und Entwicklung von CMS-Analysen an der UHH Dr. Thomas Schörner-Sadenius Wissenschaftlicher Assistent Diplom bei OPAL (LEP), Promotion bei H1 (HERA) Postdoc bei OPAL und ATLAS (LHC) jetzt vor allem bei ZEUS (HERA)

16 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS16 Atomphysik, Chemie Beginn der `Hochenergiephysik vor 1895: Chemiker prägen den Begriff `Atom; es gibt zahreiche optische Linienspektren, die z.B. durch empirische Regeln (Balmer) gedeutet werden Roentgen entdeckt `seine Roentgen-Strahlen Thompson: Kathodenstrahlen haben riesiges q/m Elektron (im Gegensatz zu den Ionen, die man vorher kannte)! `Rosinen-Modell des Atoms: positive Materie mit eingesprenkelten Elektronen Plancks Strahlungsformel, Energiequantelung 1905 Einstein: Korpuskelcharakter des Lichts Photonen, Photoeffekt 1909 Rutherford: Identifikation von - und -Strahlung. -Teilchen auf Goldfolien: Es gibt einen Atomkern – Thomson hat Unrecht! -- aber verbreitete Meinung: Kern aufgebaut aus etwas Positivem und Elektronen Thompson et al.: Isotopie! Kern besteht aus A Protonen und A-Z Elektronen 1914 Moseley: K-Linien folgen einfachem Muster: ~ 0 (Z-1) 2 Erklärung des Periodensystems aus der Ladungszahl Z heraus! Ordnung aller bekannten Elemente und Vorhersage noch unbekannter Elemente. Chemie und Periodensystem verstanden!

17 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS17 Roentgen, Planck Beginn der `Hochenergiephysik Plancksche Strahlungsformel max T Planck Rayleigh Wien

18 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS18 Einsteins Photoeffekt Beginn der `Hochenergiephysik Photoeffekt: Auslösung von Ladungsträgern durch Licht.

19 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS19 Rutherford und Atomphyik Beginn der `Hochenergiephysik

20 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS20 Revolution: Quantenmechanik Auf dem Weg zum modernen Atom 1913 Bohr: halb-klassisches Atom-Modell mit Ad-Hoc-Annahmen erlaubt Vorhersagen des Atomradius. Aber andere Probleme: Warum ist das Atom stabil – das beschleunigte Elektron müsste Energie laufend abstrahlen? 1920 Rutherford schlägt hypothetisches Neutron als Kernbauteil vor : de Broglie, Heisenberg, Dirac, Schrodinger: Quantenmechanik -- Problem der Elektronenhülle reduziert auf Differentialgleichungen (Dirac-Gleichung) -- Atom also bis auf den Kern verstanden. -- Kern kann keine Elektronen enthalten, da diese aufgrund der Unschärferelation dann riesigen Impuls haben müssten! 1926 Das 14 7 N-Problem! Enthält der Kern N Neutronen und Z Protonen? 1932 Chadwick entdeckt das Neutron! Damit ist auch das N-Problem gelöst. Atomphysik im wesentlichen verstanden!

21 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS21 Bohr und Dirac Auf dem Weg zum modernen Atom Bohrsches Atommodell Dirac-Gleichung

22 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS22 Teilchenzoo, Eichtheorien QED, Feynman etc Pauli postuliert leichtes neutrales Teilchen (`Neutrino), um Energiespektrum des Elektrons in radioaktiven Kernzerfällen zu erklären (Beta-Zerfall n pe ) Anderson, Hess und andere entdecken kosmische Strahlung (z.B. Pionen) und dabei auch das Positron, dessen Existenz schon Dirac forderte. Damit gibt es (u.a.) Elektron, Positron und Photon! Also lassen sich Prozesse wie Moller-Streuung und Bhabha-Streuung oder die Lamb-Shift rechnen. Aber: Diracs Theorie verlangt Korrekturen, die dummerweise unendlich gross zu sein scheinen! Lösung durch Feynman, Schwinger, Tomonaga: Quantenelektrodynamik – eine Eichtheorie, in der bei richtiger Behandlung physikalische Observablen immer endlich sind (renormierbar)! Jetzt bekannte Teilchen: e+, e-, Photon, Proton, Neutron, (Pion, Neutrino) Teilchenzoo wächst, Eichtheorien `erfunden!

23 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS23 Neutrinos und Eichtheorien QED, Feynman etc. Neutrino-Postulat Dirac-Theorie mit divergenten Ergebnissen; Eichtheorien, Renormierbarkeit

24 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS24 Verwirrung noch mehr Teilchen, Strangeness 1936 Anderson et al. entdecken durchdringende Komponente mit beiden Ladungsvorzeichen in kosmischer Strahlung. Eigenschaften bis auf Masse wie Elektron/Positron Myonen. Ebenfalls in kosmischer Strahlung: Geladene Pionen, die Yukawa 1935 als Träger der starken Wechselwirkung vorhergesagt hatte Zerfall in Emulsionen erkannt. Erste Nebelkammer- /Emulsionsbilder von Kaonen aus Höhenstrahlung. -/ -Rätsel Steinberger et al. produzieren neutrale Pionen in Photon-Strahlen bis zu 330 MeV auf Beryllium-Targets; die Photonen wurden von Elektronen in einem Synchrotron in Berkeley abgestrahlt. Nachweis des 0 via Zerfall in zwei Photonen Panofsky et al. messen Reaktionen von geladenen Pionen (und auch Protonen) mit H- und D-Targets: p, d Cosmotron bestätigt neue (`strange) Hyperonen ( =uds). Pais und Gell-Mann führen Strangeness als additive Quantenzahl ein. Ab 1955: Nachweis von Antimaterie am Bevatron und anderswo (Antiprotonen etc.)

25 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS25 Resonanzen im Zoo Ein Muster zeichnet sich ab, eine Idee kommt auf 1952 Fermi et al. sehen Unterschied in + p und - p: (1232) Alvarez et al (Bevatron) arbeiten mit Kaon-Strahlen und finden `strange-Resonanzen in Blasenkammern. Ordnungsmodelle: von Isospin-Symmetrie SU(2) (n,p) zu Flavour-Symmetrie SU(3) mit n,p,. 1964: Gell-Mann und Zweig: Quarks - u,d,s! Theoretische Fundierung der Flavour-SU(3). Damit auch die beobachtete Multiplett-Struktur der Zustände erklärt (J P etc.)! Aber: Keiner nahm Quarks als Teilchen ernst – 20 Jahre lang kein freies Quark beobachtet! Also nur ein theoretischer Ansatz ohne realen Gehalt?

26 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS26 Blasenkammern und ihre Interpretation Charm-Ereignis im Neutrino-Strahl auf eine mit Wasserstoff gefüllte Blasenkammer.

27 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS27 Resonanzen im Zoo Ein Muster zeichnet sich ab, eine Idee kommt auf pp p d CMS

28 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS28 Schwache Wechselwirkungen Von Pauli zu Fermi 1930 Pauli postuliert Neutrino um Energiespektrum des Elektrons im Betazerfall zu verstehen Chadwick findet Neutron 1934 Fermi: Betazerfall n pe ist Punkt-Wechselwirkung; Beschreibung durch Ströme und Hamiltonians : Lee und Yang: Theorie der Paritätsverletzung in schwachen Zerfällen ( - -Problem 1947!) Wu et al: P-Verletzung in 60 Co-Zerfall nachgewiesen: Beta-Zerfallsrichtung eher parallel zum B-Feld (und wichtiger: zur Polarisation des Co) als antiparallel! V-A-Theorie der schwachen Wechselwirkung (Feynman et al.) Cowan und Reines benutzen Reaktor-Neutrinos für Neutrino-induzierte Reaktionen. Bald auch Neutrinos produziert durch K-Zerfälle `in flight am Beschleuniger Muon-Neutrinos! Problem: Fermi ist Punktwechselwirkung! Aber V-A-Wirkungsquerschnitt steigt mit s an Widerspruch! Unitarität verletzt? Lösung: massives W-Boson (Idee Yukawa!). Dann Kopplung schwächer um 1/M W 2. Suche bei einigen GeV erfolglos! 1964 Christenson et al: CP-Verletzung im neutralen Kaon-System!

29 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS29 P-Verletzung in Cobalt (Wu) Schwache Wechselwirkungen

30 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS30 Lepton-Proton Streuung Die Struktur des Nukleons (elastisch) Quark-Modell erlaubte Klassifizierung der Resonanzen; aber Interpretation der Wirkungsquerschnitte schwieriger! Spinloses Elektron auf statische Punktladungs: Rutherford! Berücksichtigen des Elektron-Spins: Mott! Proton-Spin, ausgedehnte Ladungsverteilung, Rückstoss: Rosenbluth! 1956 Hofstädter, McAllister: 188-MeV-Elektronen elastisch auf Wasserstoff. Annahme: Ladungsradien von F 1 und F 2 identisch =0.74fm

31 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS31 (Tief-)Unelastische Streuung Die Struktur des Nukleons 1969 Panofsky et al.: 18-GeV-Linac am SLAC! Inelastische Streuung! Scaling! Struktur W i hängt nur von x=Q 2 /2M ab, obwohl W i =W i (,Q 2 )! naives (kindergarden) Partonmodell von Feynman/Bjorken: Proton besteht aus drei unabhängigen Partonen (=Quarks!). Wahrscheinlichkeit, ein Parton mit Impulsanteil x zu finden: f(x)! 1975ff: Quantenchromodynamik: Quarks wechselwirken via Gluonen! Also müssen Gluonen im Proton sein! Verletzung des Scalings, da Abstrahlung von Gluonen von x abhängt! f=f(x,Q 2 )! Panofsky et al. hatten `Glück, dass Ihre Experimente bei x-Werten abliefen, bei denen man die Scaling-Verletzungen nicht sieht! Bis heute (HERA): Viele Experimente messen Protonstrukturfunktionen (jetzt wieder F 2, F 3 und F L genannt) mit hoher Präzision in Collidern, Fixed-Target-Experimenten, mit Elektronen, Neutrinos auf Wasserstoff, Deuterium etc.

32 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS32 Lepton-Proton-Streuung Die Struktur des Nukleons II (4. Vorlesung) Strukturfunktion F 2 Partonverteilungsfunktionen

33 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS33 Quantenchromodynamik Lebensrecht für Quarks und Gluonen Quantenchromodynamik, QCD: renormierbare Quantenfeldtheorie mit Gluonen als Botenteilchen Gruppenstruktur SU(3) C (c=colour, nicht f=flavour!) Parameter: Starke Kopplungskonstante s. Seit 1974 durch viele Experimente bestätigt, präzise Messungen von s. PETRA

34 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS34 Charm, Beauty, Top, Tau … immer seltsamere Teilchen 1974 Ting und Richter messen unabhängig voneinander eine cc- Resonanz bei etwa 3.1 GeV. Nobelpreis Viele Anregungen z.B. von Crystal Ball gefunden. Auch c-Mesonen bei Spear (Perl) und DORIS (DESY): Paarproduktion neuer schwerer Leptonen: Tau-Lepton! 1977 Lederman et al.: Resonanz in + - mit 400-GeV-Protonen. Entdeckung von beauty. Ausweitung des Cabibbo-Winkels auf 3 3- Matrix: Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM). Wiederholung der c- Story! 1995Nachweis des Top-Quarks in pp-Kollisionen am Tevatron bei s=1.8 TeV. Masse: 178 GeV! 2000 Donut-Experiment am Fermi-Lab findet/bestätigt Tau-Neutrino Fermionen vollzählig!

35 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS35 J/ (cc) und charm … immer seltsamere Teilchen Entdeckung des J/ und charm-Spektroskopie

36 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS36 Beautiful Quarks: Y (bb) … immer seltsamere Teilchen Ypsilon-Resonanz und Beauty-Quark-Ereignis

37 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS37 Das Top-Quarks … immer seltsamere Teilchen Invariante Masse (CDF) und Vergleich verschiedener Messungen derzeit bester Wert: mt = 178.0±4.3 GeV

38 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS38 Standard-Modell … nicht trennen, was zusammengehört! Vor 1973: Fermi/V-A-Theorie trotz aller Probleme: Immer noch Unitarität verletzt! Wichtige Beiträge von Yang und Mills, Higgs. Glashow, Weinberg, Salam: Elektroschwaches Standard-Modell! W-Triplett, B mischen: W+, W- bekannt, W 0 und B 0 Z, (sin W ) Veltman, tHooft: Theorie renormierbar! Aber wo ist das Z? 1973 Entdeckung neutraler schwacher Ströme (Perkins et al, CERN, Gargamelle-Blasenkammer mit Neutrino-Strahlen). Bald auch Messungen von sin W. Die vom Modell vorhergesagte Massen von W,Z zu hoch für alle Maschinen Rubbia et al: SpS SppS! 1983 UA1 und UA2 finden W,Z! Nobelpreis für Rubbia, v.d.Meer LEP macht Präzisionsmessungen des elektroschwachen Standard-Modells. Wichtige QCD-Messungen. Keine Indizien für Higgs-Teilchen bis 114 GeV! Es gibt drei Neutrino-Familien!

39 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS39 Elektroschwaches SM Die Gargamelle-Blasenkammer

40 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS40 Elektroschwaches SM Die Detektoren UA1 und UA2

41 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS41 Elektroschwaches SM Entdeckung von W,Z am SppS mit UA1, UA2 C. Rubbia und S. v.d.MeerEin UA1-Ereignis

42 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS42 Elektroschwaches SM Die LEP-Ära

43 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS43 Elektroschwaches SM Die LEP-Ära OPAL ALEPH

44 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS44 Elektroschwaches SM Die LEP-Ära Es gibt 3 leichte NeutrinosW und Z koppeln aneinander!

45 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS45 Elektroschwaches SM Die LEP-Ära Das Higgs ist leicht!Das Standard-Modell passt!

46 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS46 Das Standard-Modell

47 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS47 Hochenergiephysik Was passiert heute? 2000 LEP wird abgeschaltet, um Ressourcen für LHC freizumachen Neutrinophysik: Neutrinos haben Masse! Tevatron: Der Run II läuft. Wesentliches Ziel: Higgs. Aber auch wichtige Messungen zum SM (Top-Quark, M W,…). Betrieb bis HERA: HERA II läuft. Ziel: Genaue Vermessung des Protons. Neue Physik? Ende voraussichtlich Mitte Bau von LHC: Beginn des Betriebs Planungen für einen neuen e + e - -Linearkollider mit ca. 1 TeV. Möglicher Bau-Beginn: 2009 (Vorlesung P. Schleper am Ende des Semesters). Ideen für Upgrades von LHC, für Muon-Kollider (Vorlesung P. Schleper am Ende des Semesters). Jeder Schritt (Design, Bau, Betrieb) z. Zt. ca. 10 Jahre!

48 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS48 Hochenergiephysik heute LEP ist Geschichte

49 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS49 Hochenergiephysik heute Tevatron CDF DØ

50 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS50 Hochenergiephysik heute Tevatron: CDF und DZero

51 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS51 Hochenergiephysik heute DESY und HERA

52 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS52 Hochenergiephysik heute HERA: H1 und ZEUS Der H1-Detektor

53 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS53 Probleme der Teilchenphysik Welche Fragen brauchen den LHC? Anzahl der freien Parameter im Standard-Modell Massen der Leptonen? Kopplungen? Mischungswinkel? Kann man tieferliegende Prinzipien dafür finden? Dunkle Materie Grosser Anteil (~23%) der Materie im Universum sind kalt – aber im SM kein Kandidat für kalte Materie! Higgs-Mechanismus Woher bekommen Teilchen ihre Masse? Gibt es ein Higgs-Boson? Oder mehrere (SUSY)? Oder macht die Natur etwas ganz anderes? Problematische Messungen b-Asymmetrie bei LEP (nächste Seite)

54 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS54 Probleme der Teilchenphysik Welche Fragen brauchen den LHC? Parameter des Standard-Modells 3 Kopplungen 12 Fermion-Massen 4 Mischungsgrössen im Quark-Sektor Wolfenstein-Parameter im Neutrino- Sektor. Weinberg-Winkel Higgs-Masse … Probleme bei sin W ?

55 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS55 Probleme der Teilchenphysik Welche Fragen brauchen den LHC? Vereinheitlichung Vereinheitlichung der starken und der elektroschwachen WW? Geht im Standard-Modell nicht. Aber möglicherweise mit SUSY! Inkonsistenz des Standard-Modells Higgs-Boson wird für Konsistenz gebraucht! Hierarchie-Problem: Teilchen-Massen sollten Korrekturen von der Grössenordnung der höchsten Skala des SM erhalten – aber W und Z haben sehr kleine Massen, und auch die Higgs-Masse ist vermutlich kleiner als 200 GeV neue Physik bei kleineren Skalen? 1 TeV? Supersymmetrie?

56 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS56 Probleme der Teilchenphysik Vereinheitlichung der Kopplungskonstanten Ohne SUSYMit SUSY Korrekturen zur Higgs-Masse

57 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS57 Warum LHC? … und keine andere Maschine Kompromiss aus Schwerpunktsenergie und Preis 14 TeV (Plan SSC: 40 TeV) Begründete Hoffnung: m Higgs < 1 TeV, SUSY bei unter 1 TeV Benutzung der LEP-Infrastruktur (Tunnel etc., SSC: 87 km) Die meisten Entdeckungen wurden in Hadron-Reaktionen gemacht Meistens mehr Energie und Luminosität zur Verfügung als mit Leptonen. Vieles in Fixed-Target-Experimenten! W,Z bei UA1, UA2 J/ Top Dann Präzisionsvermessung mit e + e Maschine Erfahrung des CERN im Bau und Betrieb von Grossanlagen CERN war immer an der vordersten Teilchenphysikfront Erprobte internationale Zusammenarbeit vieler Staaten.

58 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS58 CERN und das LHC-Projekt Eines der grössten wissenschaftl. Abenteuer 6000 Leute tun sich zusammen, um die grösste Maschine aller Zeiten zu bauen. Zeitrahmen: Erste Planungen ~1985, Ende Datennahme ~2020 Kosten: > 5 Mrd.Schweizer Franken Entscheidend für ein ganzes Forschungsfeld: LHC MUSS ein Erfolg werden! Seit der Entdeckung von W,Z,Top keine wirkliche Bewegung. Bestätigung des Vermuteten/Bekannten! Wenn keine neuen Phänomene im Bereich von LHC-Energien, dann für lange Zeit keine neuen Entdeckungsmaschinen in Sicht (Kosten). Aber eigentlich ist SM nicht konsistent, wenn kein Higgs bei LHC gefunden wird! Eigentlich MUSS etwas passieren. Auch Sensationell: Nichts neues gefunden! Hoffnung: LHC wird neue Aufbruchstimmung erzeugen. Auch entscheidend für CERNs Zukunft!

59 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS59 CERN: Die Organisation Ein europäisches Forschungszentrum European Organization for Nuclear Research Gegründet Weltgrösstes Teilchenphysiklabor; stellt vor allem Infrastruktur (Beschleuniger) zur Verfügung. Gegründet 1954; mittlerweile 22 Mitgliedstaaten, einige assoziierte. Ca Physiker, Techniker, Ingenieure, Verwaltung etc. Auftrag Grundlagenforschung im Bereich der kleinsten Strukturen der Materie: Was die Welt im Innersten zusammenhält. Erfolge SC, ISR, PS, SpS, SppS, LEP, LHC … CHDS, CHARM, Gargamelle, BEBC, EMC, NMC, ISOLDE, ATHENA, ATTRAP, ASACUSA, Crystal Barrel, Obelix, UA1,UA2,ALEPH,DEPLHI,L3, OPAL, ATLAS, CMS, ALICE, LHC-b Weizsäcker, Bohr, Weisskopf, Rubbia, Charpak, Van de Meer, Ting, Maiani, …

60 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS60 CERN: Die Organisation Ein europäisches Forschungszentrum

61 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS61 Das CERN Bei Genf, in der Schweiz und in Frankreich

62 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS62 Das CERN Bei Genf, in der Schweiz und in Frankreich

63 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS63 Das CERN Ca Physiker, Techniker, Verwaltung etc. ISR PS Grenze F/CH

64 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS64 Das CERN Ca Physiker, Techniker, Verwaltung etc.

65 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS65 We proudly present: CMS DAS Experiment

66 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS66 Die nächste Vorlesung Beschleuniger Grundlagen Realisierungen CERN und seine Beschleuniger

67 Vorlesung 1 Einleitung, Hintergrund WS 2004/05, Schörner-Sadenius, Steinbrück: Teilchenphysik, CMS67 Literatur und weiterführende Informationen Perkins: Introduction to High Energy Physics Halzen, Martin: Quarks and Leptons Griffith: Schmüser: Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker Goldhaber, Schlüsselexperimente der Teilchenphysik, leider vergriffen, aber in manchen Bibliotheken.


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