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Invarianz der Natur unter Phasentransformationen in SU(2) U(1) verlangt 4 Eichbosonen, W ±, Z, Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung.

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1 Invarianz der Natur unter Phasentransformationen in SU(2) U(1) verlangt 4 Eichbosonen, W ±, Z, Vereinigung von elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung zur elektroschwachen Wechselwirkung Standardmodell Extrem erfolgreiche Beschreibung aller bekannten elektromagnetischen und schwachen Phänomene Standardmodell Jedoch ein grundlegendes Problem bleibt: die Symmetrie muß gebrochen werden! Das Photon ist masselos Die W- und Z-Bosonen sind 80, 90 mal so schwer wie das Proton Standardmodell

2 Naturgesetze sind links-rechts-symmetrisch. Das heißt aber nicht, daß die Welt bei niedriger Energie es ebenso sein muß! Annahme: Feld mit Potential mit 2 Minima Naturgesetze (Potential, Lagrangedichte, Bewegungsgleichungen) rechts-links- symmetrisch. Gleichgewichtszustand ist es nicht! Teilchen wählt eines der beiden Minima Links-Rechts-Symmetrie ist gebrochen.

3 Lösung des Symmetriebrechungsproblems Führe ein Feld mit rotationsinvariantem (i.e. symmetrischen) Potential ein, das viele nicht bei Null liegende Minima hat niedrigster Energiezustand der Theorie: Teilchen wählt ein beliebiges Minimum der Zustand des Systems hat nicht mehr die ursprüngliche Symmetrie... Die Symmetrie als solche geht verloren, erscheint aber als Masse der W- und Z-Bosonen. Die Prozedur wird "Spontane Symmetriebrechung" (SSB) genannt. Der Higgsmechanismus

4 Wähle als Grundzustand: 1 min = 2 min = 2 unabhängige Felder 1, 2. Schreibe Lagrangedichte um auf neue Felder (, ), die Fluktuationen um den gewählten Grundzustand darstellen: = 1 - = 2. 2 Bewegungsrichtungen: 1) auf/ab entlang des Potentials; - massives Higgs ( ) 2) In der Ebene; Richtung wurde gewählt. Dabei verschwindet masseloses Feld (Goldstone- Boson). Der zusätzliche Freiheitsgrad erscheint in der longitudinalen Komponente von A (zunächst masseloses Eichfeld mit 2 Freiheitsgraden, transversale Polarisation).

5 LEP (bis 2000) war die einzige Maschine, die es hätte produzieren können Schwerpunktsenergie 2x106 GeV Hinweise bei GeV/c 2 ; Signifikanz ging zurück Jetzt: Tevatron bei Fermilab Run IIa: /4 Run IIb (?): 2005 (?) Experimentelle Situation des Higgs

6 Higgs bei LEP? 2 b Kandidat HZ Hypothese m H =(114 GeV 3) GeV Jet b-tag- Wahrscheinl.: Z H Kin. Massenfit m H =112.4 GeV m Z =93.3 GeV ZZ-Hypothese m Z =102 GeV m Z =91.7 GeV Vielleicht schon hier? e + e - -> HZ -> bbjj ? _

7 Zerfallskanäle und Breite des Higgs Verzweigungsverhältnisse Breite Higgskopplung proportional m f 2 Das schwerste Fermion (b quark) dominiert so lange bis die Schwelle für Erzeugung von WW, ZZ erreicht ist

8 Entdeckungsstrategie für das Standardmodell-Higgs 80 GeV, H -> bb 130 GeV ZZ(*) -> 4 Leptonen ( ) 500 GeV ZZ -> Jets 500 GeV ZZ -> GeV WW-> + + Jets 800 GeV ZZ-> Jets Bei LHC ist das SM-Higgs im gesamten erwarteten Massenbereich vom derzeitigen LEP-Limit 115 GeV bis 1 TeV zugänglich. Je nach Masse benützt man verschiedene Zerfallskanäle:

9 H -> Elektromagnetisches Kalorimeter wurde auf diesen Kanal optimiert. m H /m H < 1%, Signal/Untergrund 1/20

10 H -> ZZ*, ZZ Nachweis beruht auf ausgezeichnetem Tracker, em. Kalorimeter und Müonsystem. m H 1 GeV für m H < 170 GeV

11 H -> Jets (oder 2 Nachweis erfolgt durch Leptonen, Jets und fehlende Energie. Für letztere ist ein gutes Hadronkalorimeter mit großem Rapiditätsbereich wichtig.

12 Standardmodell-Higgs in ATLAS Signifikanzen für 30 und 100 fb -1

13 CMS Konturen Signifikanz für 100 fb -1 Standardmodell-Higgs in CMS

14 Supersymmetrie Vielleicht sind die elektroschwache und die starke Kraft vereint. In diesem Fall würden Leptonen und Quarks ineinander übergehen können und das Proton wäre nicht stabil. Der Massenwert, bei dem Vereinigung in einer entsprechenden Theorie (Grand Unified Theory, GUT) eintritt, muß groß genug sein, so daß die Zerfallsrate des Protons mit dem experimentell gemessenen Wert kompatibel ist. Die Kopplungskonstanten laufen" in Quantenfeldtheorien aufgrund von Vakuumfluktuationen. Beispiel: In der Quantenelektrodynamik ist die elektrische Ladung e durch Fluktuationen von Photonen in e + e - -Paare bis zu einer Distanz von e ~ 1/m e abgeschimt. Daher steigt em mit steigender Masse: em (0) = 1/137, em (m Z ) = 1/128.

15 Supersymmetrie Um bei hohen Energien unnatürlich große Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse zu vermeiden und damit das so genannte Hierarchieproblem zu vermeiden, fordert man zu jedem SM-Fermion einen supersymmetrischen Boson-Partner und vice versa. Wenn die Masse des SUSY-Partners in der Größenordnung ~ 1 TeV liegt, dann gilt die GUT- Vereinigung bis zu GeV. 1/ em 1/ w 1/ s

16 Supersymmetrie

17 SUSY-Higgssektor Im minimalen supersymmetrischen Standardmodell gibt es 5 Higgsbosonen: h 0, H 0, A 0 und H ±. Die Suche nach ihnen erfolgt teilweise ähnlich wie im Standardmodell.

18 SUSY-Higgse in ATLAS 5 - Konturen

19 SUSY-Higgse in CMS

20 Sparticles Supersymmetrische Teilchen können spektakuläre Signaturen durch Kaskadenzerfälle aufweisen. Ebenso kann ein charakteristischer Abfall im Massen- spektrum aufgrund des Zerfalls 2 0 -> auftreten.

21 Beispiel für Physik jenseits des Standardmodells Compositeness in ATLAS

22 CP-Verletzung und B-Physik -Bis jetzt keine Präzisionsmessung der CP-Verletzung im Standardmodell. Es kann nicht ausgeschlossen werden daß CP- Verletzung teilweise durch neue Physik erklärt werden muß. - Die Kosmologie legt nahe, daß es zum Standardmodell eine zusätzliche Quelle von CP-Verletzung geben muß (Materie - Antimaterie-Asymmetrie). - CP-Verletzung wurde bislang nur in der Zerfallsamplitude von K L -Mesonen nachgewiesen. Im B-Meson-System stehen viel mehr Zerfallsmoden zur Verfügung. Für viele davon macht das Standardmodell genaue Vorhersagen, so daß Abweichungen detektiert werden könnten.

23 Exakte Symmetrie ist unnatürlich!

24 CKM-Matrix V ud V us V ub V CKM = V cd V cs V cb = V CKM (3) + V CKM V td V ts V tb () 1- 2 i V CKM (3) = /2 A 2 A 3 (1- -i ) -A 2 1 () Vij sind proportional zur Stärke der Kopplung von down- artigen (d, s, b) und up-artigen Quarks (u, c, t) an W ±.

25 CKM-Unitaritätsdreiecke im B-System arg V cb = 0, arg V ub =, arg V td =, arg V ts = V td V tb + V cd V cb + V ud V ub = 0 V td V ud + V ts V us + V tb V ub = 0 V ub V cb V td V ub V td V ts

26 Messung der CKM-Parameter Beispiele: + B d 0 -> + - B d 0 -> J/ K S - 2 B s 0 -> D S ± K ± B s 0 -> J/ B d 0 -> D 0 K *0, D 0 K *0,... Experimentelle Anforderungen: Hohe Statistik für B u,d,s -Zerfälle mit Verzweigungsverhältnissen < 10 7 Ausgezeichnete Zeitauflösung Ausgezeichnete Teilchenidentifikation Effizientes und flexibles Triggerschema, auch für Hadronen. Hohe Statistik wird bei LHC leicht erreicht, da: B-Produktionswirkungsquerschnitt bei 14 TeV: LHCb-Luminosität: - bb 500 b cm s Rate(bb) = 10 5 s 1 : 0.5% des totalen inelastischen Querschnitts

27 Spezialexperiment LHCb

28 Müondetektor MagnetAbschirmung Vertexdetektor Tracker RICH 1 RICH 2 ECAL HCAL z/m x/m Schnitt transversal zum Magnetfeld 1.9 < < 4.9

29 LHCb-Detektor Vertexdetektor: Si r- Streifendetektor, einseitig, 150 m dick, Analogreadout Tracking-System: Außen: Driftkammer Innen: Micro-Strip Gasdetektor oder Kathodenstreifenkammer (Option: Siliziumdetektor) RICH-Detektoren (Ring Imaging Cherenkov): RICH-1: Aerogel (n = 1.03) C 4 F 10 (n = ) RICH-2: CF 4 (n = ) Photodetektor; Hybridphotodioden (Ersatz: Photoelektronenvervielfacher) Kalorimeter: Preshower-Detektor: Blei-Szintillatorschicht (14/10 mm) Elektromagnetisches K.: Blei-Szintillator, 25X 0, 10% Auflösung Hadron: Tile-Kalorimeter, % Auflösung Müonsystem: Multi-gap Resistive Plate Chamber und Cathode Pad Chamber

30 LHCb-Ereignis im Vertexdetektor Primärvertex Müon zum Triggern Auflösung: Zerfallsdistanz 120 m, Zerfallszeit 0.4 ps

31 Schwerionenphysik Deconfinement. Zweck ist Studium des Deconfinement. Das Quark-Gluon- Plasma (QGP) wurde ziemlich sicher schon bei Schwerionen- experimenten erzeugt. Die Energie reicht jedoch nur gerade aus. Bei LHC wird das QGP routinemäßig erzeugt werden. Bei der Kollision von Kernen werden u.a. charm- und bottomhältige Teilchen (J Y erzeugt. Bei Kollisionen von schweren Kernen entstehen jedoch weniger als bei Kollisionen von leichten Kernen. Strangeness-Erzeugung sollte erhöht sein. ALICE Am LHC ist das Spezialexperiment ALICE zum Studium des QGP vorgesehen. Es ist zur Zeit an der Stelle des LEP- Experiments L3 in Bau.

32 Schwerionenphysik Die enorme Anzahl der Teilchen ist die größte experimentelle Herausforderung der Schwerionenphysik. In den derzeitigen Experimenten werden im Mittel bei Blei-Kollisionen 1500 Spuren erzeugt. Bei LHC wird diese Zahl sein! Teilchenidentifikation ist essentiell. Pb-Pb-Kollision im NA49-Experiment des CERN

33 Schwerionenexperiment ALICE

34 TOTEM TOTEM TOTEM ist ein Spezialexperiment für die Messung des Gesamtwirkungsquerschnitts, von elastischer Streuung und diffraktiven Prozessen. Der Gesamtwirkungsquerschnitt wird luminositätsunabhängig bestimmt durch gleichzeitige Messung von elastischen Streuprozessen mit geringem Inpulstransfer und von inelastischen Wechselwirkungen. Mit dieser Methode ist auch eine absolute Kalibration der Beschleunigerluminosität möglich. Der Detektor besteht aus: - Teleskopen von "Roman Pots" symmetrisch auf beiden Seiten der Wechselwirkungsregion CMS. Sie dienen zur Messung von Protonen, die mit sehr kleinen Winkeln in elastischen oder quasi-elastischen Reaktionen gestreut werden. - einem Detektor zur Messung aller inelastischen Prozesse im Rapiditätsbereich 3 bis 7.

35 Österreichische Beiträge zu LHC-ExperimentenATLAS Universität Innsbruck: Simulationsstudien (B-Physik, …), PhysikanalyseCMS Institut für Hochergiephysik der ÖAW: Globaler Triggerprozessor Regionaler + globaler Müontriggerprozessor Bau von Modulen und Steuerelektronik des Silizium- Trackers und Pixeldetektors Bau von Teilen des Alignment-Systems Software, Simulationsstudien (SUSY, …), Physikanalyse Neue Mitarbeiter und Studenten (Sommer, Diplomarbeiten, Dissertationen) willkommen!

36 And so we say good-bye We hope you have enjoyed the world of particles as much as we do. We have so much to learn, to increase man s knowledge and his control over his environment THE END B. Southworth, G. Boixader


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