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Perspektiven der experimentellen Hochenergiephysik - Teil 1 135.284 Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie.

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1 Perspektiven der experimentellen Hochenergiephysik - Teil Claudia-Elisabeth Wulz Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften c/o CERN/EP, CH-1211 Genf 23 Tel , GSM: http: //home.cern.ch/~wulz Nov. 2001

2 Literatur Theorie: M. Treichel: Teilchenphysik und Kosmologie, Springer-Verlag (2000) D. Griffiths: Introduction to Elementary Particles, J. Wiley and Sons (1987) Allgemein: B.R. Martin, G. Shaw: Particle Physics, J. Wiley and Sons (2nd ed. 1997) D. H. Perkins: Introduction to High Energy Physics, Cambridge U. Press (4th edition, 2000) Detektoren: W. R. Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer-Verlag (2nd ed. 1994)

3 Webseiten Einführungen in die Teilchenphysik: Für Physiker/Studenten:

4 Hochenergiephysik = Elementarteilchenphysik Frage nach dem Aufbau und Zusammenhalt der Materie Lehre von Teilchen und ihren Wechselwirkungen

5 Hochenergiephysik Man benötigt umso höhere Energien, je kleiner die zu erforschenden Dimensionen sind. 1/GeV m 1/4 der Ausdehnung des Protons Wichtige Einheiten und Größen … Plancksches Wirkungsquantum = h/2 = MeVs 1 eV = Ws … Energieeinheit Masse des Protons: 938 MeV/c 2 Anmerkung: c bzw. werden oft 1 gesetzt, so daß MeV bzw. GeV Energie, Impuls oder Masse darstellen können. p Heisenberg'sche Unschärferelation

6 Die fundamentalen Kräfte

7 Die starke Wechselwirkung Sie hält Atomkerne zusammen. Teilchen, die eine starke Wechselwirkung besitzen, heißen HADRONEN. Sie sind aufgebaut aus QUARKS. Die starke Wechselwirkung kommt durch den Austausch von Teilchen zwischen den Quarks zustande. Diese heißen GLUONEN. Weder Gluonen noch Quarks existieren jedoch als freie Teilchen (CONFINEMENT).

8 Die starke Wechselwirkung Gluonen und Quarks tragen Farbladung (COLOR) QUANTENCHROMODYNAMIK Sichtbare Teilchen sind jedoch farbneutral. u d Proton u d u d u ududd + Neutron d

9 Das Quarkmodell Elementare Bausteine der Materie: 1964: Gell-Mann, Zweig

10 Das Quarkmodell

11 Mesonen, Baryonen Jedes Baryon besteht aus 3 Quarks. Jedes Meson besteht aus 1 Quark und 1 Antiquark.

12 K 0 (ds)K + (us) (du) (ud) (uu,dd,ss) (su) (sd) Mesonenoktett (uu-dd)/2 (uu+dd-2ss)/6 (uu+dd+ss)/3 : =

13 n (udd)p (uud) (dds) (uds) (dss) (uss) Baryonenoktett

14 hat gleichen Quarkgehalt wie Proton, aber verschiedenes Energieniveau, analog H-Atom in verschiedenen Anregungs- zuständen. Baryonendekuplett (ddd) (udd) (uud) (uuu) (dds) (dss) (sss) (uss) (uus) (uds) Quarks: Spin 1/2! Pauli-Prinzip -> COLOR (O.W. Greenberg)

15 Sie tritt z.B. beim radioaktiven -Zerfall auf: LEPTONEN Teilchen ohne starke Wechselwirkung heißen LEPTONEN (z.B. Elektron, Müon, Neutrino). INTERMEDIÄREN VEKTORBOSONEN Die schwache Wechselwirkung wird durch die INTERMEDIÄREN VEKTORBOSONEN (W ±,Z) vermittelt. Diese sind fast 100 mal so schwer wie das Proton und wurden 1983/1984 an den Experimenten UA1 und UA2 des CERN SppS-Colliders entdeckt. Carlo Rubbia und Simon van der Meer bekamen für ihre entscheidenden Beiträge den Nobelpreis.

16 Glashow, Salam, Weinberg (1978) 3 Familien (Generationen) von Quarks und Leptonen: e () () () + Antiteilchen 12 Leptonen udud () cscs () tbtb ()[ + Antiteilchen ] x 3 Farben 36 Quarks 4 Vermittlerteilchen der elektroschwachen Wechselwirkung: 3 I.V.B. (W ±, Z) + 1 Photon ( ) 8 Vermittlerteilchen der starken Wechselwirkung: 8 Gluonen (g)

17 Alle existierenden Daten werden sehr gut durch das Standardmodell beschrieben. Jedoch ist die Frage der Teilchenmassen ungeklärt! Im Standardmodell existiert ein Teilchen, das den Mechanismus erklärt, durch den Teilchen Massen erhalten - das Higgs-Boson. Bau des Large Hadron Colliders (LHC) ist notwendig! Strahlenergie: 2 x 7 TeV p-p Entdeckung könnte bei LEP gemacht worden sein, jedoch Signifikanz nicht hoch genug. Im Rahmen der Supersymmetrie könnte es auch mehrere Higgse sowie supersymmetrische Partner der bekannten Teilchen geben (Squarks, Sleptonen, Gluinos etc.).

18 Quellen hochenergetischer Teilchen 1950: Einzige Quelle hochenergetischer Teilchen war die Höhenstrahlung (kosmische Strahlung) Entdeckung von Positronen und Pionen. Heute: fast ausschließlich Teilchenbeschleuniger in Verwendung. Vorteil: nur 1 Projektil mit bekannter Energie. Fixed-Target-Experiment: stationäres Target Collider-Experiment: gegenläufige Teilchenstrahlen In beiden Fällen werden erzeugte Teilchen durch ihre Wechselwirkung mit Materie nachgewiesen Detektoren Linearbeschleuniger Speicherring

19 Teilchenbeschleuniger Elektromagnetische Kräfte werden benützt, um stabile, geladene Teilchen zu beschleunigen. Es wird eine Quelle benötigt, z.B. Glühkathode oder Ionenquelle. - Linearbeschleuniger (LINACs) - Zirkularbeschleuniger (Synchrotrone) Synchrotrone: Kreisbahn durch Anordnung von Dipolmagneten (Ablenkmagneten), Beschleunigung durch Hochfrequenzkavitäten. Zur Strahlfokussierung werden Quadrupol- bzw. Sextupolmagneten (Fokussiermagneten) verwendet.

20 Prinzip der Beschleunigung Elektromagnetische Welle von oben gesehen rot +, blau - Elektromagnetische Welle bewegt sich fort und nimmt Teilchen mit Elektromagnetische Welle Positiv geladene Teilchen in der Nähe des Maximums der Welle erfahren die größte Kraft nach vorne; die in der Nähe des Umkehrpunktes die kleinste. Als Folge davon tendieren die Teilchen dazu, sich zusammen mit der Welle fortzubewegen.

21 Schema eines Synchrotrons

22 Super-Proton-Synchrotron des CERN

23 Sextupolmagnet LHC-Teststand mit Dipolen

24 Querschnitt eines LHC-Doppeldipols

25 Schwerpunktsenergie - Laborenergie Schwerpunktssystem (Centre of Mass Frame): p = p i = 0 E CM = Wc 2 W 2 c 4 = E 2 - p 2 c 2 W … invariante Masse einer Menge von Teilchen E, p … Gesamtenergie und -impuls z. B. Teilchenstrahl aus Teilchen mit Masse m S, der auf ein Target mit Masse m T trifft und den Impuls p L hat. Das Target ist in Ruhe, somit ist p T = 0. Teilchenenergien im Laborsystem: E L = m S 2 c 4 + p L 2 c 2 E T = m T c 2 W 2 c 4 = (E L + m T c 2 ) 2 - p L 2 c 2 = m S 2 c 4 + m T 2 c m T c 2 E L E CM = m S 2 c 4 + m T 2 c m T c 2 E L

26 Fixed-Target-Beschleuniger und Collider E CM … Schwerpunktsenergie, E L … Laborenergie p CM = 0 … Schwerpunktsimpuls, m S … Masse des Strahlteilchens, m T … Masse des Targetteilchens Fixed -Target-BeschleunigerSpeicherring E CM = m S 2 c 4 + m T 2 c 4 + 2m T 2 c 2 E L E CM = 2 E L E CM ~ E L viele Teilchennur stabile, geladene hohe LuminositätTeilchen, niedrigere Luminosität

27 Collider Beschleunigung und Speicherung für gleiche Teilchen mit entgegengesetzter Ladung in ein und demselben Magnetring (Speicherringe). Beschleunigung bis zur Maximalenergie, Extraktion auf ein stationäres Target (fest oder flüssig). Primärstrahlen: stabile geladene Teilchen (z.B. p, e ± ) Sekundärstrahlen: neutrale oder instabile Teilchen (z.B.,, ). Fixed-Target-Beschleuniger

28 Erzeugung von Sekundärstrahlen Zur Beschleunigung eignen sich nur stabile, geladene Teilchen. Jedoch braucht man auch neutrale (z.B. g) oder instabile Teilchen (z.B. ± ). Diese können erzeugt werden, indem man einen Primärstrahl auf ein Metalltarget lenkt. Bei den Reaktionen mit den Kernen des Targets werden neue Teilchen erzeugt, die dann analysiert werden können. Beispiel 1: + -Strahl + + p X Y + Kollimator elektrostat. u. magnet. Felder monoenergetischer Strahl schweres Target

29 Erzeugung von Sekundärstrahlen Beispiel 2: -Strahl + + sowie noch nicht zerfallene ± werden in einem langen Absorber absorbiert. Keine Impulsselektion ist jedoch möglich! ± langes Vakuumrohr Absorber

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31 Synchrotronstrahlung Synchrotronstrahlung pro Umlauf: Für 1 (v c) mit E = mc 2 ist E ~ 1/m 4 hoher Energieverlust für Elektronen, deshalb haben in der Praxis konventionelle Elektronenbeschleuniger maximal ca. 100 GeV pro Strahl. = v/c, = (1- 2 ) -1/2 … Krümmungsradius der Umlaufbahn

32 Teilchenbeschleuniger Impuls eines geladenen Teilchens im Magnetfeld: Konventionelle Elektromagneten: B max 1.5 T Supraleitende Magneten: B max 10 T Aus obiger Formel wird ersichtlich, warum große Radien für große Strahlimpulse erforderlich sind. Die Synchrotronstrahlung spielt ebenfalls eine Rolle. … Krümmungsradius in Metern B … Magnetfeld in Tesla p = 0.3 B

33 Luminosität L … Luminosität in cm -2 s -1, R … Kollisionsrate in s -1 … Strahl-Strahl-Wirkungsquerschnitt in cm 2 R = L Beispiel Teilchen-Antiteilchen-Speicherring (pp, e + e - ): 1 Vakuumröhre bei gleichem magnetischem Führungsfeld. N … Anzahl der Teilchen pro Paket (bunch) Bei je 1 Paket gibt es 2 Kollisionspunkte. In jedem Kollisionspunkt (Interaction Region) treten Zusammenstöße mit der Frequenz f c/u auf, wobei u der Umfang des Speicherringes ist.

34 Dann ist die Luminosität in einem Kollisionspunkt durch folgende Formel gegeben: n bunch … Anzahl der Pakete, N ± … Anzahl der Teilchen pro Paket A … Strahlfläche bei kompletter Überlappung L A Fokussiermagneten (Quadrupole) low region ( ~ Strahlenvelope). Teilchenoszillationen in vertikaler und horizontaler Richtung zur idealen Bahn: Betatronschwingungen. Longitudinale Schwingungen relativ zur Bewegung eines idealen Teilchens (phasengleich zum Hochfrequenzfeld): Synchtotronschwingungen. L = f n bunch N+N-N+N- A Luminosität

35 Typische Luminositäten für Collider BeschleunigerTeilchen L /cm -2 s -1 SLC (Stanford)e + e x10 30 LEP (CERN)e + e - 2x10 31 HERA (DESY)e - p 1.6x10 31 SppS (CERN)p p 6x10 30 Tevatron (Fermilab)p p 2x10 32 *) KEKB (Tsukuba)e + e - 1x10 34 PEP II (Stanford)e + e - 3x10 33 LHC (CERN)p p 1x10 34 *)mit Main Injector, ohne 2x TeV33

36 Beschleunigerkomplex des CERN LHC/LEP SPS

37 Beschleunigerkomplex des Fermilab Tevatron Main Injector

38 Beschleunigerkomplex des Fermilab Tevatron Main Injector

39 Beschleunigerkomplex des SLAC

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41 Beschleunigerkomplex des KEK

42 Teilchennachweis Erzeugte Teilchen werden nachgewiesen durch: Wechselwirkung mit dem Detektormaterial Starke Wechselwirkung für Hadronen Schwache Wechselwirkung für Neutrinos Erzeugung neuer Teilchen bei genügend großer Energie Ionisierung von Atomen (geladene Teilchen) Abgabe von elektromagnetischer Strahlung (geladene Teilchen) -> e + e -

43 Wechselwirkung mit Atomkernen Kurze Reichweiten. z.B. mit einfachstem Kern, dem Proton: Elastische Streuung: z.B. - + p -> - + p Inelastische Streuung: z.B. - + p -> n - + p -> K 0 +

44 Wechselwirkung mit Atomkernen Totaler Wirkungsquerschnitt tot = el + inel tot = el + q + inel (für größere Kerne) inel … groß bei hohen Energien tot (10…100) mb(1 mb = 1 millibarn = cm 2 ) q … Wirkungsquerschnitt für quasielastische Streuung (elastische Streuung an Nukleonen) Rückstoß -> Kernabstoßung -> Anregung bzw. Spaltung

45 tot und el für - + p tot = (10 … 100) mb tot r 2 30 mb für r m p (GeV/c) (mb) tot el

46 Wechselwirkung mit Atomkernen Kollisionslänge Wahrscheinlichkeit (P c ) für eine Hadron-Kern-Wechselwirkung in dünner Schicht mit Dicke dx. P c = n tot dx (n = N A /A … Kerne pro Einheitsvolumen) A … Molmasse (g/mol), … Dichte (g/cm 3 ), N A … Avogadrozahl ( / mol) Mittlere freie Weglänge (Kollisionslänge): c = 1/n tot Absorptionslänge (Interaktionslänge) a ( a ) = 1/n inel Kollisions- und Absorptionslängen werden auch oft in g/cm 2 angegeben: c = A/N A tot = c, a = A/N A inel = a

47 Atomic and Nuclear Properties of Materials Particle Data Group (http: //pdg.lbl.gov)

48 Ionisation Bethe-Bloch-Formel Alle geladenen Teilchen betroffen. Für mittlere Energien (200 GeV max.) dominieren Ionisationsverluste durch Coulombstreuung an Hüllenelektronen. Die Bethe-Bloch-Formel (hier für Teilchen mit Spin 0 und Ladung ±e) gibt den mittleren Energieverlust an: x …zurückgelegte Wegstrecke im Medium m e …Elektronmasse Z …Ordnungszahl I …mittleres Ionsationspotential …dielektrischer Abschirmfaktor (nur für hochrelativistische Teilchen wichtig) n e …Elektronendichte des Mediums (n e = N A Z/A) D …4 2 h 2 / m e = MeVcm 2

49 Ionisationsenergieverlust für ± und p in Blei (dE/dx) min ~ e 2 Suche nach freien Quarks! p (GeV/c) -dE/dx (MeV/cm) Minimalionisierung ( 3-4) Relativistischer Anstieg

50 Strahlungsverluste - dE/dx = E/X o E = E o exp(-x/X o ) 1 X o 4Z(Z+1) N A A [ln(183Z -1/3 )] e 2 m e c 2 Geladene Teilchen werden im Kernfeld abgebremst bzw. beschleunigt Abstrahlung von Photonen Energieverlust (Bremsstrahlung). Vor allem wichtig für Elektronen und Positronen. (für relativistische Elektronen mit E >> mc 2 / Z 1/3 ). X 0 …Strahlungslänge (wichtig bei der Konzeption von elektromagn. Kalorimetern!) [] 2

51 Strahlungsverluste Für hohe Energien sind die Strahlungsverluste proportional zu E/m 2. Aus der Bethe-Bloch-Formel geht hervor, daß die Ionisationsverluste nur schwach von der Masse und Energie des Projektils abhängen (bei hohen Energien). Strahlungsverluste dominieren für Elektronen und Positronen. E c …kritische Energie = Energie, bei der Strahlungsverluste und Ionisationsverluste für Elektronen gleich sind Element ZX o /cmE c /MeV H (26 K) C Al Fe Pb E c MeV Z

52 Wechselwirkung von Photonen mit Materie Annahme: Monoenergetischer Photonenstrahl mit I Photonen pro Sekunde, der durch ein Material der Dicke x durchgeht. Dann ist der Energieverlust gegeben durch: dI = - I dx/ I = I 0 exp (-x/ dI = - I dx/ I = I 0 exp (-x/ = 1/n = 1/n... mittlere freie Weglänge vor Absorption oder Streuung …totaler Photon-Wechselwirkungsquerschnitt mit einem Atom n …Kerne pro cm 3

53 Wechselwirkung von Photonen mit Materie Beiträge zu Photoelektrischer Effekt (Absorption durch Atom, Emission eines Elektrons) (~ Z 5 /E ) Comptoneffekt (Photonstreuung an Hüllenelektronen) (~ Z/E ) Paarerzeugung (im Kernfeld oder Hüllenelektronfeld) (~ Z 2 ) n X o Paarerzeugung 9 X 0 /7 … Konversionslänge 7 x 9 X 0 Bei hohen Energien wird Photonabsorption, genauso wie der Strahlungs- verlust von Elektronen, durch die Strahlungslänge charakterisiert. I = I 0 exp ( )

54 Photon-Wechselwirkungsquerschnitte für ein Blei-Atom a) Photoeffekt b) Comptonstreuung c) Paarerzeugung im Feld der Hüllenelektronen d) Paarerzeugung im Kernfeld d a b c E / GeV / b


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