Das CMS-Experiment Hauptseminarvortrag am 15.12.2006 Alexander Wiegand

Eintrag auf der FAQ Seite des CMS Experiments: Das CMS Experiment Eintrag auf der FAQ Seite des CMS Experiments: Who governs you? I mean, to me, these rings that you are building look like the "Stargate" [from the TV program - ed]. What is to guarantee that you are not building a portal to other universes? [note: this was a REAL question! - ed]

Das CMS Experiment - Inhalt Einführung: Der Large Hadron Collider (LHC) Experimente Ziel der Experimente 2.1 Quark-Gluon-Plasma 2.2 CP-Verletzung 2.3 Higgs Boson 2.4 Supersymmetrie Der Compact Muon Solenoid 3.1 Genereller Aufbau 3.2 Detektoren 3.3 Datenanalyse Ausblick

Der LHC: Ein Großprojekt Das CMS Experiment - 1. Einführung Der LHC: Ein Großprojekt Internationales Großprojekt Allein am CMS Experiment arbeiten 2000 Physiker aus 36 Ländern Kosten bis zur Fertigstellung: ca. 2 Mrd. Euro Projektbeginn 1994 Lange Bauzeit: 2000 – 2007 (geplante Fertigstellung)

Das CMS Experiment - 1. Einführung Der LHC Ring Beschleunigerring mit 27 km Umfang Proton-Proton bzw. Schwerionencollider Schwerpunktsenergie der p-p Kollision: 14 TeV Für die Schwerionenkollisionen: 1150 TeV Hohe Strahlluminosität: L = 1033-1034 cm-2s-1

Das CMS Experiment - 1. Einführung Die Experimente am LHC ALICE: A Large Ion Collider Experiment ATLAS: A large Toroidal LHC ApparatuS CMS: The Compact Muon Solenoid LHCb: Large Hadron Collider beauty experiment

Die Beschleunigerrohre Das CMS Experiment - 1. Einführung Die Beschleunigerrohre 1232 supraleitende Dipolmagnete die bei 1,9 K arbeiten und Magnetfelder von 9 Tesla erzeugen werden

Das CMS Experiment - 1. Einführung Große Datenmengen Alle 25 ns werden die umlaufenden Teilchenpakete gegeneinander gelenkt Pro Strahlkreuzung ca. 20 p-p Kollisionen mit 1000 Sekundärteilchen die in den Detektoren nachgewiesen werden müssen In einer Sekunde so viele Daten wie 1995 am Tag Pro Jahr 15 Petabyte an Daten

Wozu der ganze Aufwand?

Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Ziele des LHC Entdeckung des Higgs-Bosons Nachweis supersymmetrischer Teilchen Untersuchung der CP-Verletzung in B-Mesonensystemen Erzeugung eines Quark-Gluon-Plasmas durch die Kollision von Schwerionen 5. Entdeckung anderer „neuer Physik“ jenseits des Standardmodells

Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Quark Gluon Plasma Normalerweise: Confinement d.h. Quarks nicht frei Im QGP sind Quarks und Gluonen quasifrei Wechselwirkung durch inelastische Stöße Expansion durch den inneren Druck und Abkühlung führt zur Hadronisierung Interessanter Zustand da man annimmt dass dies der Zustand der Materie 10-33s nach dem Urknall war (Quarks Ära)

Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente CP-Verletzung C: Ladungskonjugation P: Parität CP-Symmetrie verletzt: entdeckt 1964 an neutralen K Mesonen unterschiedliche Lebensdauern An B-Mesonen genauere Untersuchungen der Verletzung dieser Symmetrie CP- Verletzung an X-Bosonen nach dem Urknall ist wahrscheinlich verantwortlich für den Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie

Higgs im Standardmodell Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Higgs im Standardmodell Quantenfeldtheorien invariant unter lokalen Eichtransformationen Dafür: Eichbosonen masselos Da W+ W- und Z aber Masse haben => Higgs Mechanismus Einführung eines skalaren Feldes das überall im Raum präsent ist Der Grundzustand des Vakuums ist nicht mehr eindeutig Auswahl eines bestimmten dieser Zustände => Spontane Symmetriebrechung => Masse ohne Einführung expliziter Massenterme

Grundzustand im Higgsmechanismus Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Grundzustand im Higgsmechanismus Grundzustand symmetrisch Bei hohen Energien eindeutiges Minimum Für niedrige Energien mehrere mögliche Endzustände

Higgserzeugungsprozesse Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Higgserzeugungsprozesse Hiervon vor allem und interessant da eindeutige Signaturen: Im ersten Fall entstehen beim Zerfall der W± auch Neutrinos die durch fehlende Energie gesehen werden können und im zweiten Fall viele hochenergetische Jets zu erwarten sind

Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Higgszerfall Mögliche Zerfallskanäle sind von der Masse des Higgs-Teilchens abhängig B-Mesonen haben eine relativ lange Lebensdauer und legen daher im Detektor eine gewisse Strecke zurück => Erzeugung der Teilchenpaare nicht am gleichen Ort wie Strahlkollisionspunkt => Sekundärvertizes die mit exakten Spurdetektoren aufgelöst werden sollen

Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Supersymmetrie Symmetrie zwischen Fermionen und Bosonen Werden STeilchen genannt Eichbosonen erhalten die Endung -ino Zahl der Elementarteilchen verdoppelt sich Neue Quantenzahl: R Parität mit B: Baryonenzahl, L: Leptonenzahl, S:Spin Für SM Teilchen: R=+1 Für ihre Susy-Partner R=-1 Wenn man die R-Paritätserhaltung annimmt zerfallen Susy-Teilchen nicht in SM Teilchen => Das leichteste Susy Teilchen LSP ist stabil

Vereinheitlichung der Grundkräfte Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Vereinheitlichung der Grundkräfte Für große Energien: Vereinigung der elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkung Dies ist nur im Rahmen des supersymmetrischen Modells möglich da sich die im Rahmen des Standardmodells extrapolierten Kopplungskonstanten nicht in einem Punkt treffen

Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Dunkle Materie Da die leichtesten Supersymmetrischen Teilchen stabil sein sollten sind sie ein aussichtsreicher Kandidat für die dunkle Materie

Vorteile eines supersymmetrischen Modells Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Vorteile eines supersymmetrischen Modells Vereinheitlichung der Kräfte Kandidat für Dunkle Materie Quadratische Divergenzen im Standardmodell behoben Erweiterung der Poincaré Gruppe um Symmetrie zwischen Bosonen und Fermionen mit der Aussicht auch die Gravitation mit einbeziehen zu können

Mögliches Ereignis und Nachweis Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Mögliches Ereignis und Nachweis Neutralino χ das leichteste supersymmetrische Teilchen d.h. entsteht am Ende der Zerfallskette und entweicht aus dem Detektor da es nicht mit normaler Materie wechselwirkt Diese fehlende Transversale Energie die nicht von den Kalorimetern erfasst wird kann zum Nachweis dienen

Reaktionen in einem speziellen Fall (LM9) Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Reaktionen in einem speziellen Fall (LM9) Generell: Quantitative Vorhersagen nur für vorher gewählte Parameter möglich Betrachtung des Zerfalls ergibt Massenkante im Spektrum von Leptonenpaaren Signatur: 2 isolierte Leptonen gleichen Flavours und verschiedenen Vorzeichens Fehlende transversale Energie Mehrere Jets

Anforderungen an den Detektor Das CMS Experiment - 2. Ziel der LHC Experimente Anforderungen an den Detektor Die zwei Hauptkriterien die der CMS Detektor erfüllen muss um Higgs-Bosonen und Supersymmetrische Teilchen nachweisen zu können sind: 1. Hermetizität (um fehlende Energie zu bemerken) 2. Identifizierung von Sekundärvertizes (wichtig falls Higgs Teilchen eine Masse von unter 160 GeV hat)

Wie werden die Vorhersagen im Experiment überprüft?

Der Compact Muon Solenoid (CMS) Detektor Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Der Compact Muon Solenoid (CMS) Detektor

Verwendete Koordinaten Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Verwendete Koordinaten x,y,z bzw. davon ausgehend r, θ und φ Für einen Detektor geschickter: Pseudorapidität η Man definiert sie als: Die Wahl dieser statt des Winkels θ direkt hat den Vorteil, dass Δη invariant unter Lorentztransformationen ist (Δθ nicht)

Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor

Transverse slice through CMS detector Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Transverse slice through CMS detector Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press “escape” to exit

Halbleiterdetektoren Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Halbleiterdetektoren Prinzip: In Sperrrichtung betriebene Halbleiterdioden Durchgehendes Teilchen erzeugt Elektron Loch Paare Trennung im elektrischen Feld Die resultierende Spannungsänderung wird verstärkt und detektiert

Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Pixel Vertex Detektor In 4cm Abstand von der Strahlachse Drei konzentrische Lagen aus Silizium Pixel Detektoren + Scheiben für Frontrichtung => Spuren bis |η|<=2,4 Pixel sorgen für hohe Ortsauflösung: 15 µm => genaue Identifizierung von Sekundärvertizes

Siliziumstreifen Spurdetektor Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Siliziumstreifen Spurdetektor Im Anschluss an den Pixeldetektor: 15148 Streifendetektormodule Streifen haben den Nachteil, dass man z-Komponente nicht bestimmen kann => Verwendung von doppelseitigen Modulen deren Streifen gegeneinander gedreht sind (hier blau)

Elektromagnetisches Kalorimeter Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Elektromagnetisches Kalorimeter homogenes Kalorimeter bestehend aus 61000 PbWO4 Kristallen (kurze Strahlungslänge X0<1cm und hohe Strahlenhärte) WW mit den Kristallen über Bremsstrahlung, Photoeffekt, Compton-Effekt, Paarbildung Abwechselnd Paarbildung und Bremsstrahlung => Ausbildung elektromagnetischer Schauer Die Energie des Primärteilchens ist proportional zur Intensität des Fluoreszenzlichts

Hadronisches Kalorimeter Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Hadronisches Kalorimeter Sampling- (Inhomogenes) Kalorimeter: Schauermedium: Kupfer bzw. Stahl Nachweismedium: Plastikszintillator bzw. Quarzfasern Schauerbildung komplizierter als im elektromagnetischen Schauer da verschiedene Mesonen entstehen können π0 Zerfall in zwei γ erzeugt elektromagnetische Subschauer Intensität des Schauers nimmt wie ab λhad ist die hadronische Wechselwirkungslänge Durch Forward Kalorimeter Abdeckung bis |η|<5

Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Der Myonen Detektor Myonendetektor: Driftkammern gefüllt mit Ar-Co2 Gasgemisch Beim Durchgang eines Myons ionisiert dieses das Gas Freigesetzte e- driften zur Anode Ort des Durchgangs lässt sich durch Messung der Driftzeit berechnen da Beschleunigung erst nah beim Draht =>

Transverse slice through CMS detector Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Transverse slice through CMS detector Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press “escape” to exit

Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Datenanalyse Pakete treffen sich alle 25 ns Das ergibt bei durchschnittlich 20 p-p Kollisionen 800 Mio. Kollisionen pro Sekunde Die meisten Prozesse sind nicht interessant Bsp.: Higgs Produktion Im Schnitt einmal alle 1013 Kollisionen D.h. 1 Higgs pro Tag

Vergleich: Nadel im Heuhaufen Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Vergleich: Nadel im Heuhaufen Typische Größe einer Nadel: 5 mm3 Typisches Volumen eines Heuhaufens: 50 m3 => Verhältnis Nadel : Heuhaufen = 1 : 1010 Für Higgs Boson: 1 : 1013 Die Suche nach einem Higgs Event in den gesamten Produzierten ist also vergleichbar damit eine Nadel in 1000 Heuhaufen zu suchen

Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor

Das CMS Experiment - 3. Der CMS Detektor Ausblick Ende 2007: Beginn des Testlaufs bei noch niedriger Luminosität und mit einer geringeren Zahl an Teilchenpaketen im Strahl Erprobung der Detektoren und des Beschleunigers Beginn der physikalischen Experimente bei 14 TeV im April 2008 Massenkante könnte schon nach einem Monat Strahlzeit aus dem Untergrund treten 2008 wird also ein spannendes Jahr !

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