Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen CMS-Experiment Hauptseminar: Der Urknall und seine Teilchen 10.07.2011 Jonathan Lehr

CMS-Experiment Motivation des Experiments Higgs-Boson Teilchennachweis und Detektorsystem Mögliche Ergebnisse Lehr Jonathan: CMS-Experiment

1. Motivation des Experiments Vollständiges Verständnis des Universums Herstellung der Bedingungen beim Urknall Wir brauchen gegenseitige Bestätigung von Experiment und Theorie Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Energieentwicklung + LHC setzt die Suche nach neuer Physik auf höherer Energieskala fort - Teilchenbeschleuniger stoßen allmählich an technische Grenzen Lehr Jonathan: CMS-Experiment

LHC 27 km Umfang 14 TeV pp-Kollision 1150 TeV Schwerionkollision Alle 50 ns Kollision zweier Pakete (pro Paket 115 Milliarden Protonen) Genf ATLAS ALICE LHC-B CMS Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Grenzen der technischen Möglichkeiten.. Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Aktuelle Fragen der experimentellen Teilchenphysik Suche nach supersymmetrischen Teilchen zur Bestätigung einer SUSY (z.B. Graviton und Gravitino für eine SUGRA, LSP (dunkle Materie)) Untersuchung der CP-Verletzung anhand von B-Mesonen (besitzen ) Quark-Gluon-Plasma Überprüfung des SM: Higgs-Boson Experimentelles Erforschen eines neuen Energiebereichs Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Aktuelle Fragen der experimentellen Teilchenphysik Detektoren am großen Ring Ziele LHCb B-Meson-Detektor Untersuchung CP-Verletzung ALICE Quark-Gluon-Plasma durch Schwerionenkollision ATLAS Higgs-Boson Supersymmetrische Teilchen Schwerionkollision CMS (Compact Muon Solenoid) Lehr Jonathan: CMS-Experiment

2. Higgs-Boson Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Beispiel: Zusammensetzung der Protonmasse ? Lehr Jonathan: CMS-Experiment

2. Higgs-Boson Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld als Erklärung für Eigenschaft Masse der Teilchen, Higgs-Boson ist Mediator des Feldes Hilfreiche Vorstellung: Ein Körper im Wasser (Analogie zum Higgs-Feld) verhält sich träger als in Luft (kein Higgs-Feld) Term in der Lagrange-Funktion, der Wechselwirkung mit Potential beschreibt mit als Kopplungskonstante Das Potential verursacht spontane Symmetriebrechung Masse des Higgs-Boson hat Einfluss auf Krümmung des Potentials am Minimum Lehr Jonathan: CMS-Experiment

2. Higgs-Boson Theoretische Beschreibung des Standardmodells ordnet den Teilchen keine Masse zu, insbesondere fordert sie masselose Eichbosonen Z0 und W+- sind aber massebehaftet ! Eigenschaften: elektrisch neutral Spin 0 Boson Vorhersagen der Masse Supersymmetrie: (siehe Vortrag über Supersymmetrie) Diverse Meinungen: Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Mögliche Erzeugung eines Higgs-Boson Fusion Bremsstrahlung Kopplung des Higgs Auch andere Wechselwirkungen möglich, aber unterdrückt Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Suche nach Higgs-Boson Mögliche Zerfallskanäle Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Suche nach Higgs-Boson Mögliche Zerfallskanäle Lehr Jonathan: CMS-Experiment

3. Teilchennachweis und Detektorsystem Überblick: Lehr Jonathan: CMS-Experiment

3. Teilchennachweis und Detektorsystem Lehr Jonathan: CMS-Experiment

3. Teilchennachweis und Detektorsystem elektromagnetische WW (Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung) Nachweis im elektromagnetischen Kalorimeter (ECAL) Szintillation (Anregung, Ionisierung) Cherenkov-Effekt In CMS PbWO4-Kristall schnell: kurze Abklingzeit (10ns) kurze Strahlungslänge X0 = 0.89 cm Szintillationslicht wird über Photodioden ausgelesen Lehr Jonathan: CMS-Experiment

3. Teilchennachweis und Detektorsystem Nachweis ebenfalls im ECAL Unterschiede zu Bremsstrahlung, Stoßionisation -> Große Kernladungszahl (Pb, W) kein punktueller Deposit, denn -> Material mit hoher Dichte und kurzer Strahlungslänge jedoch obere Grenze wegen Photon-Durchlässigkeit Weitere Nachweismöglichkeit im Tracker ! Lehr Jonathan: CMS-Experiment

3. Teilchennachweis und Detektorsystem Tracker Ionisationsspur geladener Teilchen Halbleitermaterial besser als Gas Ablenkung im Magnetfeld -> Rekonstruktion der Teilchenspuren -> Ladungs- und Impulsbestimmung In CMS 13 Schichten von Siliziumdetektoren: Pixeldetektoren (3 innerste Schichten) Präzise <-> viele Drähte, viele Daten Lehr Jonathan: CMS-Experiment

3. Teilchennachweis und Detektorsystem Streifendetektoren unpräzise -> Anordnung zweier Schichten unter kleinem Winkel Weltgrößter Tracker mit 206 m2 Fläche Lehr Jonathan: CMS-Experiment

3. Teilchennachweis und Detektorsystem Aus Hadron-Schauern resultierend Werden ebenfalls abgelenkt, Detektion aber erst im hadronischen Kalorimeter (HCAL) Neutral -> HCAL -> verursacht zwei Subschauer Nachweis im HCAL oder schon im ECAL -> Gleiches Detektorprinzip im HCAL: Szintillation Lehr Jonathan: CMS-Experiment

3. Teilchennachweis und Detektorsystem Hadronisches Kalorimeter (Szintillation, Schauerbildung) Hadronen müssen Zerfallen, Aufschauern, Energie deponieren -> Absorbermaterial: starke, schwache WW In CMS: Fe, Cu/Zi Schichten aus Szintillatoren und Absorbermaterial -> Erzeugung und Detektion von in Szintillatoren über e.m.WW In CMS Plastikszintillatoren (günstig, formbar) mit Signalweiterleitung über Quarzfasern Lehr Jonathan: CMS-Experiment

3. Teilchennachweis und Detektorsystem geringer Wirkungsquerschnitt, aber möglichst ganzheitliche Energiemessung wichtig! Dafür geladene Teilchen -> Ionisationsspur in Gas CMS: Driftröhren und Kathodenstreifenkammer (Endkappen) gefüllt mit ArCO2-Gas Ortsmessung in Driftröhre: Verstärkung an Anoden durch Gradient -> zwei Koordinaten, ortspräzise -> Impulsbestimmung Resistive Plate Chambers schnelle Detektoren, zeitpräzise, redundant -> Information für Trigger zur Entscheidung über Speicherung Lehr Jonathan: CMS-Experiment

3. Teilchennachweis und Detektorsystem Myondetektion sehr wichtig: Goldener Kanal klares und eindeutiges Signal Eindeutiger Indiz für Zerfall bei Kollision Lehr Jonathan: CMS-Experiment

3. Teilchennachweis und Detektorsystem Myondetektion sehr wichtig: Goldener Kanal klares und eindeutiges Signal Eindeutiger Indiz für Zerfall bei Kollision Erneuter Überblick: Myonspur durch Magnetfeld (4T) des supraleitenden Solenoids Eisen im Rückflussjoch (2T) Strahlungsabsorption Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Resümee: Vergleich mit ATLAS CMS ATLAS Tracker Siliziumdetektor Transition Radiation Tracker (Bestimmung der Teilchenart) ECAL Szintillator (PbWO4) Edelstahl und Flüssiges Argon HCAL Szintillator (Plastik) und Fe- sowie Cu/Zi-Absorber Stahl und Argon/Szintillator Solenoid Solenoid umschließt Tracker und Kalorimeter (-> 4T) Solenoid im Detektorinnern (-> 2T) Toroid-Magnete im Myonsystem Myonkammern 3 Kammertypen (anderer Aufbau in Endkappen) -> robust 2 Kammertypen Driftröhren zur Ortsbestimmung, zweiter Typ für Trigger -> Zwei Experimente mit z.T. unterschiedlichen Methoden Gegenseitige Bestätigung und Ergänzung durch Unabhängigkeit Lehr Jonathan: CMS-Experiment

4. Mögliche Ergebnisse Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Mögliches Event eines Higgs-Teilchens Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Event mit fehlender Energie und Jets Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Zerfall eines Neutralino Jet Neutralino zerfällt in Z und LSP, Z zerfällt in zwei Myonen Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Z-Boson Produktion Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Simulation Higgs-Boson ergibt schmalbandiges Signal -> Hohe Sensibilität nötig Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Simulation Starkes Hintergrundrauschen Außerdem seltene Produktion des Higgs-Bosons -> Hohe Luminosität nötig Higgs-Boson müsste am LHC zu finden sein, sonst Überdenken des SM ! Lehr Jonathan: CMS-Experiment

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit ! Lehr Jonathan: CMS-Experiment