HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik Das LHC-Experiment Markus Kern HS Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik WS 2008/09

Inhalt Ein kurzer Überblick über den LHC Die Physik am LHC Die Suche nach dem Higgsboson Supersymmetrie Der CMS-Detektor im Detail

Der Large Hadron Collider

Der LHC im Überblick 27 km Umfang 100 m unter der Erde 7 TeV pro Protonenstrahl Beschleunigung der p auf 99,9999991% von c LHCb: Untersuchung der CP Verletzung in B- Mesonensystemen ALICE: Erzeugung und Untersuchung eines Quark-Gluonen-Plasmas

Beschleunigerrohr 15 m Länge 35 t Gewicht über 1000 Stück Nb-Ti-Legierung supraleitend unter 10K Magnetfeld von 8,33 T bei 1,9 K 11 700 A notwendig zum Aufbau des Magnetfelds

Stillstand des LHC Magnettest Sektor 3-4 Defekte elektrische Verbindung Lokale Erwärmung Supraleitung geht verloren Schäden an Kabeln, Rohren und Magneten Heliumaustritt Wiederinbetriebnahme voraussichtlich Juli 2009

Das Standardmodell Das Standardmodell ist eine Eichtheorie, die auf der Eichgruppe SU(3)Cx SU(2)W x U(1)Y beruht. Eichprinzip: Die Invarianz einer Gleichung, unter lokalen (ortsabhängigen) Phasentransformationen, erfordert die Existenz eines Vektorfeldes, das mittransformiert wird. Bsp: Lokale Transformationen bzgl. SU(3)C führen zur Existenz der Gluonenfelder. Eichprinzip setzt masselose Teilchen voraus. Experimente zeigen W‘s und Z haben Masse. Higgsmechanismus rettet Eichprinzip durch Einführung des Higgsfelds und des Higgsbosons.

Higgsproduktion

Wirkungsquerschnitte

Higgszerfall

Higgszerfall II

Probleme des Standardmodells Das Eichproblem: Warum gibt es 3 unabhängige Eichgruppen? Ist nur eine Eichgruppe möglich? Das Parameterproblem: Es gibt mindestens 18 freie Parameter im SM. Können sie reduziert werden? Das Ladungsproblem: Warum sind die el. Ladungen von Elektron und Proton genau entgegengesetzt? Das Hierarchieproblem: Warum ist die schwache Skala so klein verglichen mit der GUT-Skala? Das Fine-Tuning-Problem: Strahlungskorrekturen zur Higgsmasse sind viele Größenordnungen größer als die Masse selbst, daher müssen die Parameter des Higgspotentials unnatürlich fine-getunt werden.

Supersymmetrie Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen SUSY Partner von Fermionen erhalten ein vorangestelltes „s“ Bei Bosonen ersetzt man die Endung „on“ durch „ino“ oder hängt ein „ino“ an Perfekte Symmetrie erfordert identische Particle- und Sparticlemassen Bisher keine Sparticles gefunden  SUSY ist eine gebrochene Symmetrie

Lösung des Eichproblems Supersymmetrisches Modell erlaubt die Vereinigung der WW bei hohen Energien Im SM nicht möglich, da kein gemeinsamer Schnittpunkt vorhanden

Lösung des Fine-Tuning-Problems Strahlungskorrekturen enthalten nun auch Superpartner, diese unterscheiden sich nur durch das Vorzeichen  Korrekturen heben sich gegenseitig auf

MSSM Das MSSM ist die kleinstmögliche Erweiterung des SM zu einem supersymmetrischen Modell Existenz einer neuen multiplikativen Quantenzahl „R-Parität“, Erhaltungsgröße im MSSM SM-Teilchen: R=+1 SUSY-Teilchen: R=-1 Konsequenzen: Das LSP ist stabil und damit ein Kandidat für dunkle Materie Sparticles können nur paarweise erzeugt werden Jedes schwerere Sparticle zerfällt in eine ungerade Anzahl von LSPs

Nachweis eines SUSY Ereignisses Zerfallskette der Sparticles endet mit den LSPs, die mit dem leichtesten Neutralino identifiziert werden Ohne WW mit normaler Materie können LSPs aus dem Detektor entkommen Nachweismöglichkeit durch fehlende Energie

Der CMS-Detektor

Teilchenspuren im Detektor

Pixeldetektor 65 Millionen Pixel 3 zylindrische Schichten mit 4cm, 7cm und 10cm Abstand zum Teilchenstrahl Teilchen erzeugen beim Durchfliegen Elektronen-Loch-Paare  elektrische Signale

Streifendetektor 10 Lagen Siliziumstreifendetektoren Fläche über 200m2 Unterschiedliche Ausrichtung der Streifen erlaubt 3D Rekonstruktion der Teilchenspur

Karlsruher Beteiligung 8000 Sensoren wurden mit 2 selbstentwickelten automatischen Probestationen überprüft Über 100 Petals wurden gebaut Jedes Petal enthält ca. 20 Module mit ca. 16000 Streifen

ECAL Szintillationskalorimeter Besteht aus fast 80 000 PbWO4 Kristallen. Kurze Strahlungslänge: X0=0,89cm Schnelle Reaktionszeit: 80% des Lichts werden in 25ns emittiert Geringe Lichtausbeute: 30γ/MeV

HCAL Die Absorber bestehen aus Messingplatten Hohe Dicke des Absorbers notwendig, da Hadronen ihre Energie hauptsächlich durch starke WW mit den Kernen verlieren Die Detektoren sind Plastikszintillatoren bzw. Quarzfasern Schauerbildung komplizierter als im ECAL, da verschiedenste Sekundärteilchen entstehen können

Solenoid Der CMS Magnet ist der größte supraleitende Magnet, der je gebaut wurde wiegt 12 000 Tonnen ist 100 000 mal stärker als das Erdmagnetfeld hat genug Energie um 18 Tonnen Gold zu schmelzen

Der Myonendetektor Verschiedene mit Gas gefüllte Driftkammern angepasst an die Myonenrate Durchgehende Myonen ionisieren das Gas Elektronen driften zu positiv geladenen Drähten Ort des Durchgangs lässt sich durch Messung der Driftzeit berechnen

Quellenverzeichnis Peter Schmüser: Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker. Berlin, Heidelberg 1995. Rabindra N. Mohapatra: Unification and Supersymmetry. The Frontiers of Quark-Lepton Physics. New York, Berlin, Heidelberg 2003. David Griffiths: Introduction to Elementary Particles. Weinheim 2008. W. de Boer, A. Sopczak, S. Kappler: Experimentelle Teilchenphysik. Karlsruhe 1999. W. de Boer: Grand Unified Theories and Supersymmetry in Particle Physics and Cosmology. hep-ph/9402266. Stephen P. Martin: A Supersymmetry Primer. hep-ph/9709356. Gianfranco Bertone, Dan Hooper, Joseph Silk: Particle dark matter: evidence, candidates and constraints. In: Physics Reports 405 (2005) 279–390. Gunnar Klämke: Higgs plus 2 Jet Produktion in Gluonfusion. Karlsruhe 2008. D. Acosta, A. De Roeck, U. Gasparini u. a.: CMS Physics, Technical Design Report, Volume I: Detector Performance and Software. CERN 2006. A. De Roeck, M. Grünwald, J. Mnich u. a.: CMS Physics, Technical Design Report, Volume II: Physics Performance. CERN 2006. http://public.web.cern.ch/public/ http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/index.html

Quellenverzeichnis II Die Zahlen in eckigen Klammern geben die Foliennummer an. [3] http://media.arstechnica.com/news.media/LHC.jpg [4] http://livefromcern.web.cern.ch/livefromcern/antimatter/history/historypictures/LHC-drawing-half.jpg [5] http://mediaarchive.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/1999 /9906025/9906025_01/9906025_01-A5-at-72-dpi.jpg [6] http://static.guim.co.uk/Guardian/news/gallery/2007/aug/06/internationalnews/0606 026_01-179.jpg [8] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_prod_graphs_new.jpg [9] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_prod_xs.jpg [10] http://www.hep.ph.ic.ac.uk/cms/physics/HIGGS/Higgs_bratio.jpg [11]oben links http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/Higgs/100GeV.jpg unten links https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr2-figs/images/Figure_%20CP-001.jpg oben rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/Higgs/150GeV_1.jpg unten rechts https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr2-figs/images/Figure_%20CP-003.jpg [14] http://www.physik.uzh.ch/~kmueller/text/vorlesung/susy/img34.gif [15] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/68/Hqmc-vector.svg/300px- Hqmc-vector.svg.png

Quellenverzeichnis III [17] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Physics/SUSY/Susy_2.jpg [18] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/af/CMScollaborationPoster.png [19] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Media/Videos/Animations/files/CMS_Slice.gif [20] links http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/siliziumdetektor.jpg rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/ Resources/Website/Detector/Tracker/Pixelement.gif [21] links http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Detector/Tracker/Barrel.gif rechts https://cmsdoc.cern.ch/cms/cpt/tdr/ptdr1-figs/Figures/Figure_001-009.jpg [22] oben http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/silizium_sensor.jpg unten http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/images/stories/experimente/CMS/petalproduktion3.jpg [23] links http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~jwagner/SS08 /talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 31 rechts http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Media/Images/Gallery/ECAL/EB/HighRes/oreach-2001-001.jpg [24] http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~jwagner/SS08/talks/BenjaminBuecking.pdf Folie 32 [25] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/Website/Detector/Magnet/0509015_14-A4-at-144-dpi_thumb.jpg [26] http://cms-project-cmsinfo.web.cern.ch/cms-project-cmsinfo/Resources/ Website/Detector/Muons/DT.gif