Physik bei HERA: Das ZEUS-Experiment und ein wenig von H1 Thomas Schörner-Sadenius UHH, 25. Januar 2005 Experimentelle Methoden der Teilchenphysik

Übersicht DESY+ HERA ZEUS (+H1) HERA- Physik Labor Beschleuniger Detektoren Arbeitsorganisation HERA- Physik Inklusive Messungen: F2, elektroschwache Physik QCD rauf und runter Exotisches Ausblick 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Das DESY-Umfeld Viele Beschleuniger und einiges an Geschichte Gluon-Entdeckung bei PETRA Derzeit 920-GeV-Protonen auf 27.5-GeV-Positronen. DESY als Teil der HGF der Grossforschungseinrichtungen etc. … Ca. 3000 “User” am DESY in den verschiedensten Bereichen. 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Der Upgrade HERA I  HERA II Signifikant mehr Daten! HERA I (bis 2000): e+p-Streuung: 100 pb-1 e-p-Streuung: 15 pb-1 HERA II (seit 2003): Ziel: 1000 pb-1 bis 2006/7 [Verbesserte Suche nach neuer Physik; höhere Präzision bei vielen Messungen (hohe Q2).] Soll erreicht werden durch bessere Strahlfokussierung (Faktor 5 höhere Ereignisrate). Ausserdem: Polarisation der Strahlen  schwache WW). 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

H1 und ZEUS Die einzigen ep-Experimente Internationale Kollaborationen mit Beteiligung von ca. 300-400 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 (Ee = 27.5 GeV, Ep = 920 GeV, Massen!). Datennahme seit 1992; Betrieb bis 2006/7 geplant. [Anmerkung: Es gibt zur Zeit nicht viele laufende HEP-Experimente!] Stichwort Besichtigung ZEUS! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Das ZEUS-Experiment Zwiebelschalenfoermiger Aufbau 20*12*11 Meter 3600 Tonnen Ca. 25 Komponenten e p Wechselwirkungspunkt Vertex-Detektor Nachweis der Zerfaelle langlebiger Teilchen Spurkammer CTD Feld/Signal-Draehte (Ionisationsnachweis, Impulsmessung geladener Teilchen) Uran-Kalorimeter UCAL (Energiemessung neutraler und geladener Teilchen) Solenoid Weitere Kalorimeter Muon-Kammern Elektronics Hut, FE electronics on detector Anzahl Kanaele CAL (4500) 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Das ZEUS-Kalorimeter Energiemessung mit Uran Teilchen deponieren Energie in Szintillator  Licht! Licht wird mit Lichtleitern zu Photomultipliern (Sekundaer-elektronenvervielf.) gebracht Vom Photomultiplier zum elektronischen Signal electron anode vacuum dynodes Verstaerkung und shapen am Detektor Ein Barrel-Modul Kalorimeter-Geometrie 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Das ZEUS-Kalorimeter Funktionsweise “Tower” “Cell” “EMC” “HAC1” “HAC2” Cells werden auf beiden Seiten von PMTs ausgelesen  stabil gegen Ausfall!  zusaetzliche Ortsaufloesung durch Schwerpunktsbildung Insgesamt ca. 11000 PMTs. Die erste Elektronik sitzt noch am Detektor  kurze Signalwege (Rauschen), aber schlecht zugaenglich! Verstaerkung und shapen am Detektor 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Das ZEUS-Kalorimeter Bedeutung des Urans Wir wollen elektromagnetisch und hadronisch wwirkende Teilchen messen Aber: Die hadronische Komponente leidet oft unter Verlusten (z.B. unentdeckte Neutronen etc.) Konsequenz: Ein deponiertes GeV elektromagnetischer Energie sieht “nach mehr aus” als ein GeV hadronischer Energie. Uran: setzt bei der Spaltung Neutronen frei, die zu zusaetzlicher Energiedeposition fuehren – das Uran “kompensiert” also die hadronischen Verluste. Ergebnis: Sehr gute Energieaufloesung fuer Hadronen bei Zeus: Verstaerkung und shapen am Detektor 0.17 fuer elektronen 10mrad Winkelaufloesung fuer Jets 1ns Zeitaufloesung ! (BC=96) (E)/E = 0.35/sqrt(E [GeV]) 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

ZEUS-MVD Spurmessung mit 20 m Schwere Mesonen = hohe Lebensdauern  Zerfall nach ~mm! Nachweis d. Vertex  b,c-Physik. Zeus hat einen neuen Silikon-Mikrovertex-Detektor eingebaut, der der genauen Spurmessung am WW-Punkt dienen soll. Uni HH war massgeblich beteiligt ! 360k elektrische Kanaele im Readout! 600 Silizium-Streifendetektoren e p Wechselwirkungspunkt 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Arbeit in einer Kollaboration Arbeitsteilung und Teams (ZEUS) “Spokesperson” “Physics Chair” “Run Coordinator” “wise men” “conveners” Aufteilung 1: Institute (z.B. UHH) Gutachter der (Diplom-)Arbeiten; - oft mehrere Leute an einem Thema interne Diskussion Aufteilung 3: Physik-Gebiet (z.B. QCD) - Regelmaessige Treffen derer, die auf einem Gebiet arbeiten; - Interner Review-Prozess “coordinators” Aufteilung 2: Subdetektor (z.B. Kalorimeter) - Oft quer durch die Institute. - Jeder muss fuer das Experiment arbeiten. - Hardware-Erfahrung wichtig 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Betrieb des Detektors Schichtarbeit Rund um die Uhr 2-Mann-Schichten a 8 Stunden. Betrieb und Ueberwachung des Experiments (Safety!) Kommunikation Fuer jede Detektorkomponente immer eine “on-call”-Person in Rufbereitschaft (Doktoranden). Einfache Probleme Kalibration Ueberwachung der Datenqualitaet Im Hintergrund ein Komponenten-Experte/Koordinator (Postdoc) ... Selber oft ueberfordert (Altern des Experiments …) Eine Stunde 10000 DM? 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Elektron-Proton-Streuung Das Proton – ein komplexes Objekt 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Elektron-Proton-Streuung Das Elektron als “Sonde” neutral current - e charged current -  Ee = 27.5 GeV p=xP P Q2=-q2=-(k-k’)2 Proton k’(e±,) k Lepton (e±) Q2: Viererimpuls-Transfer [Auflösung ~1/Q] ,Z,W y=Q2/sx: Inelastizität [s=Schwerpunktsenergie] x=Q2/2Pq: Anteil des Quarks am Protonimpuls (Bjorken-x) Photoproduktion: Q2 = 0 GeV2 Ep = 920 GeV [before 1998: 820 GeV] Tiefunelastische Streuung (DIS): Q2 > 0 GeV2. 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Dynamik im Proton unter der Lupe Voll das Leben - Gluonen! Hohe Energie: ep-Streuung ~ eq-Streuung! F2 beschreibt dynamische Struktur des Protons Q2: (Impulsübertrag)2 von e auf p [~1/Q] Elektron (Q2) x Proton HERA: Ideales Labor zur Untersuchung der Partondynamik im Proton. [ QPM: F2(x) = eq2 xq(x) ] 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Elektron-Proton-Streuung Verdeutlichung von x und Q2 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Elektron-Proton-Streuung Verdeutlichung von x und Q2 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Ein typisches Ereignis in H1 dargestellt im “Event-Display” Spurkammern Gestreutes e± H1-NC-DIS-Ereignis [Q2=4EeEe’cos2(/2)]  Lepton Proton Gestreutes Quark Struktur des Protons EM und schwache WW  QCD  Neue Physik Kalorimeter 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Inklusive Messungen … wofuer HERA gebaut wurde Q2=4EeEe’cos2(/2) y =1-Ee’sin2(/2)/Ee x =Q2/sy Durch Messung des Streuwinkels und der Streuenergie des Elektrons ist das Ereignis vollstaendig beschrieben!  zaehle Elektronen als Funktion von Winkel und Energie Strukturfunktionen des Protons! Vergleich mit Theorie! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Die Struktur des Protons kleine x: mittlere x: Scaling!!! [x: Impulsanteil des Gestreuten Quarks am Protonimpuls] Feynman etc.: Punkt- foermige Partonen ohne Wechselwirkung!!! grosse x: Spannend: Beschreibt Theorie die Daten? Welche Präzision brauchen wir, um am LHC Physik zu machen? 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Die Protonstruktur – PDFs* … etwas unanschaulich … F2(x) = eq2 xq(x) (QPM) Beachte den Unterschied zwischen Valenz- und Seequarks und Gluonen! Die Angabe von (sinnvollen) Fehlern ist noch sehr neu! *PDF = parton distribution function 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Elektroschwache Theorie Erster Schritt zur “Unification” Generell (e-) > (e+) [positiver (negativer) Beitrag des Z0 in e-p (e+p)] Q2 gross (NC) = (CC) [Elektroschwache Ver- einheitlichung] CC bloed – kein Elektron fuer Kinematic  man muss isch anders helfen (nur aus had endzustand) CC unterdrueckt durch W-Propagator mit 1/mW^4 … ,Z,W? Egal !!!! Alle Wirkungsquerschnitte von der Theorie beschrieben! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Elektroschwache Theorie Erster Schritt zur “Unification” CC bloed – kein Elektron fuer Kinematic  man muss isch anders helfen (nur aus had endzustand) CC unterdrueckt durch W-Propagator mit 1/mW^4 … 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Die starke Weckselwirkung: QCD Die andere Kraft … … die nächste Ordnung … BGF: Boson- Gluon-Fusion s! QCD-C: QCD- Compton-Events 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Die starke Weckselwirkung: QCD Die andere Kraft … … die nächste Ordnung … BGF: Boson- Gluon-Fusion s! QCD-C: QCD- Compton-Events 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Besonders nett: s Ein (zum Glueck) universeller Parameter s ist der fundamentale Parameter der QCD (wie EM im Falle der QED). 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Physik schwerer Quarks I Komplexer wegen hoher Massen! “Open charm production” x Rest D* s+ + K- D0 “Golden D* decay” Bildung von J/Psi erwaehnen! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Physik schwerer Quarks II Beauty-Wirkungs- querschnitte nicht verstanden? Methoden: pT,rel, Impakt-Parameter, (stat. Trennung) Erstes Mal Daten durch Theorie beschrieben? 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Physik schwerer Quarks III b-Quark-Tagging: pt,rel Der “Abstand” von Myonen aus b-Zerfaellen zu “ihren” Jets ist wegen der Massen des b groesser als der in Zerfaellen leichter Quarks. b c ‘X, Jet’ Myon pt,rel Prozess: bcX 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Physik schwerer Quarks VI b-Quark-Tagging: “impact parameter d” Wegen ihrer hohen Lebensdauer zerfallen weit vom Vertex entfernt (Mikrometer). Nachweis mit Mikrovertexdetektoren! Die negative Flanke der Verteilung wird fuer Aufloesungsstudien verwendet und hilft, den Untergrund abzuschaetzen. Vertex B-Zerfall “d” “><0?” } Falsch gemessenes Leichtquark-Ereignis! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Die Suche nach neuer Physik … noch ganz frisch: Pentaquarks uuddsKs0p+-p 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Die Suche nach neuer Physik … eigentlich das Interessanteste Leptoquarks: eq  eq [Resonanzen in inv. Masse; ~high-Q2-DIS mit e+Jet] RP-verletzende SUSY: z.B. ed  gravitino Finden wir Physik jenseits des Standard-Modells? Neue Wechselwirkungen? Zweifach geladene Higgs-Bosonen: e+ e-H++ [Ladungsvorzeichen des Leptons wechselt; 3 Leptonen im Endzustand] 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

… und was sie so schwer macht! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

… und was sie so schwer macht! 25. Januar 2005 TSS: ZEUS

Abschluss … und ein wenig zur ZEUS-Fuehrung Es ist unklar, ob der Zugang am 2.2. stattfindet HERA will noch mehr herumspielen, bevor es eine neue Pause gibt. Alternativer Termin Mitte Februar. Bitte in Liste einschreiben und unbedingt e-Mail angeben. Ich werde rechtzeitig Bescheid sagen. Naechste Woche findet keine Vorlesung mehr statt Wir bedanken uns fuer Ihre Aufmerksamkeit und hoffen auf moeglichst detailliertes Feedback, damit wir unsere zahlreichen Unzulaenglichkeiten beim naechsten Mal ausbuegeln koennen. Vielleicht treffen wir uns ja waehrend eines Praktikums oder Ihrer Diplomarbeit bei ZEUS oder CMS wieder. Naechstes Semester: Vorlesung Teilchenphysik fuer Fortgeschrittene (voraussichtlich Naroska / Schoerner). 25. Januar 2005 TSS: ZEUS